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1N水不能产生2N浮力?——阿基米德的迷雾

(2012-03-15 12:32:51)
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杂谈

小明同学是一个初二的学生,他喜欢思考,特别爱上物理课,尤其是实验课,因为实验课不仅能看到各种新奇的现象,还能引发他深入的思考,进而学到很多东西。今天又有物理课,但上课铃打了5分钟了,老师还没有来。正当同学们等得不耐烦的时候,进来一个白胡子老头,走上讲台,说:“你们老师有事,请我来给大家上堂课。首先自我介绍一下,我叫~~阿基米德,希腊人。”“啊~~~”小明和同学们惊奇的嘴都合不拢,“你就是那个大科学家,古希腊的阿基米德?”。“是我”,阿基米德说:“我好不容易穿越回来,给大家上这节浮力课,那可是我洗澡时的重大发现哟。你们学校设备真是简陋啊,连浴缸都没有,我就不给大家当场演示这个发现过程了。”同学们笑。阿基米德咳嗽了一下,接着说:“但是我们还是可以做个试验模拟一下。”说着,他拿出一个装满水的烧杯,把烧杯放在一个空的水槽内。“假设就是浴缸”,另外拿出一个石块说,“这就是我啦。接下来‘我’将走进‘浴缸’,我们来研究下‘我’所受的浮力大小跟什么有关。”说着阿基米德用弹簧测力计称量了这个石块,重量是3N,然后把石块放入烧杯中,阿基米德又读出弹簧测力计读数2N。石块放入烧杯的时候,有一部份的水从烧杯溢出来,进入水槽中。阿基米德又把溢出来的水收集起来测量它的重力,刚好是1N。于是阿基米德说:“你们看,‘我’在浴缸中受到的浮力是3N-2N=1N和排出水的重力也是1N,所以这个实验说明浮力和排开水所受的重力相等,受到这件事的启发,我进行了严密的数学计算,推导出了阿基米德定律,F=ρgV排。这里面ρ液表示液体密度,V排是….

阿基米德还没有讲完,小明已经进入了他的思考王国:“既然浮力的大小和排出水的重量有关,排出水的重量越大,所受浮力就越大。如果烧杯里放了10N的水,最多也就只能排出10N的水,因此10N的水应该不能产生10N以上的浮力吧?大发现,原来浮力是有上限的啊!”想到这,小明举手问阿基米德,10N的水所产生的浮力是不是不能大于10N啊?“为什么?”阿基米德奇怪的问。小明把上述理由说了。阿基米德微微一笑,说:“我可没说产生浮力必须要有水排出去啊,比如在河里放一条船,没有水排出去,也能产生浮力。” “但是就算没有排出水,物体也占了水的空间啊,可以理解为占的空间就是排出水的体积”小明不肯善罢甘休,“你的理解有一定道理,但物体其实占的是容器的空间啊。”阿基米德说。接着阿基米德在黑板上画了张图:

http://s3/middle/67bbc2efga0c4645ee232&690

阿基米德继续解释道:“当容器中水比较少时,把木块放到容器中,就可以发现,在没有排出水的情况下,也会产生浮力。所以公式里的V排不是指排出水的体积,而是排开水的体积,排开水体积是指物体浸没在自由页面以下的部分所占的空间,如图中V2。你看,由于放入物块的宽度跟容器差不多,图中的排水体积V2是大于原有液体V1的,放入物体前后,液体体积都是V1,物体所占用的是容器空间,而非液体的空间。”

小明听了这话,似乎明白了些:“V排是自由液面下物体所占的空间,不是排出水的体积,当容器不满时,V排和排出水体积无关,所以浮力的最大值与水的量没有关系。”猛然间,他又想到:既然V排占用的是容器的空间,那么V排不应该大于容器的体积,也就是说容器中液体的浮力,不能超过该容器装满液体时,液体的重量?他把这个想法告诉了阿基米德,阿基米德说“对咯,这才是对V排的正确理解。所以看老师做实验的时候要认真思考,可不要被表面现象迷惑咯。”

 

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