例题:一个小盒,里面装着一个实心铁球A、一个密度小于水的木球B、一个和水的密度相同的物体C,小盒漂浮在水槽中的水面上,如果只将A、或B、或C中的某一个物体拿出,放到小盒外的水中,水槽中水面高度会如何变化?
关于这个(或类似)问题的讨论在许多物理教学杂志中时有发现。多数是通过数学推导,推导过程复杂,不利于突出物理本质,也有的教师为了省麻烦,直接告诉学生答案让学生记住,因此,多数初中学生对这一问题难以理解和掌握。其实,这个问题不用数学推理也能简捷的得出正确结论,分析如下:
根据阿基米德原理,在同一种液体中,如果物体受到的浮力变大,则排开液体的体积也变大,液面将上升;如果物体受到的浮力变小,则排开液体的体积也变小,液面将下降;如果物体受到的浮力不变,则排开液体的体积也不变,液面的高度将不变。因此,判断液面升降问题可归纳为判断物体受到的浮力大小的变化问题。讨论时,我们把小盒和里面的三个物体为研究对象
(1) 若把A物体从小盒中拿出
根据物体漂浮在液面上的条件,在将A物体拿出前,研究对象受到的总浮力等于它们的总重力。拿出A物体后,小盒和里面B、C物体仍然漂浮,它们的总浮力等于它们的总重力,而A物体的密度大于水的密度,在水中下沉,它受到的浮力小于它的重力,由此可知,A物体拿出放到水槽里后,研究对象受到的总浮力小于它们的总重力,即把A放到水槽后研究对象受到的总浮力变小了,因此液面下降。
(2)
若把B物体从小盒中拿出
将B拿出前,研究对象受到的浮力等于重力。拿出后,小盒和里面的另外两个物体漂浮,它们的浮力等于重力,而木球的密度小于水的密度,漂浮在水面上,它受的浮力也等于重力,即拿出B之后研究对象受到的总浮力也等于研究对象受到的总重力。与拿出前相比,研究对象受到的总浮力不变,因此,液面高度不变。
(3) 若把C物体从小盒中拿出
采用同样的方法分析可知,在将物体C拿出前后,研究对象受到的浮力等于研究对象受到的重力,故液面高度不变。
采用这样的分析方法,避开了复杂的数学推理,利用阿基米德原理和物体的浮沉条件进行分析,从而突出了物理本质。教学实践证明,这种方法简捷可行,初中学生也很容易掌握。
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