《八上科学浮力思维导图》

一、浮力概述

• 定义： 浸在液体或气体中的物体受到液体或气体向上托的力。
• 方向： 竖直向上。
• 施力物体： 液体或气体。
• 测量方法：
  • 弹簧测力计法： F浮 = G - F示 (G：物体在空气中的重力，F示：物体浸在液体中的弹簧测力计示数)
  • 排水法/溢水法： F浮 = G排 = ρ液gV排 (G排：排开液体的重力，ρ液：液体密度，V排：排开液体的体积)
• 影响因素：
  • 液体的密度(ρ液)： 密度越大，浮力越大。
  • 排开液体的体积(V排)： 体积越大，浮力越大。
  • 与物体本身的体积和密度无关。 (容易混淆)
• 适用范围： 液体和气体。 (统称流体)
• 浮力产生的本质： 液体对物体上下表面压力差。

二、阿基米德原理

• 内容： 浸在液体中的物体所受的浮力，大小等于它排开的液体所受的重力。
• 公式： F浮 = G排 = ρ液gV排
• 适用条件： 普遍适用。
• V排 的理解：
  • 部分浸没： V排 = 物体浸入液体中的体积。
  • 完全浸没： V排 = 物体本身的体积。
• 阿基米德原理的应用：
  • 计算物体所受浮力。
  • 判断物体的浮沉条件。
  • 设计和制造浮力设备。
• 重要推论：
  • 同一物体浸没在不同液体中，V排相同，则F浮与ρ液成正比。
  • 同一液体中，V排越大，F浮越大。
  • 漂浮的物体，F浮 = G物。

三、物体的浮沉条件

• 前提条件： 物体浸没在液体中 (或完全浸没或部分浸没)
• 比较方法：
  • 比较浮力(F浮)和重力(G物)的大小：
    • F浮 > G物：物体上浮，最终漂浮 (漂浮：F浮=G物，ρ物<ρ液)
    • F浮 = G物：物体悬浮 (ρ物=ρ液)
    • F浮 < G物：物体下沉 (ρ物>ρ液)
  • 比较物体密度(ρ物)和液体密度(ρ液)的大小：
    • ρ物 < ρ液：物体上浮，最终漂浮。
    • ρ物 = ρ液：物体悬浮。
    • ρ物 > ρ液：物体下沉。
• 特殊情况：
  • 密度小于液体，但是沉底： 因为物体不是全部浸没，浮力小于重力，或者有其他外力作用。
  • 悬浮的物体，稍有扰动就下沉： 原本恰好平衡，受到扰动导致微小变化。
• 浮沉条件的应用：
  • 造船：增大物体的体积，使其排开更多的水，增大浮力。
  • 潜水艇：改变自身的重力，实现上浮和下沉。
  • 密度计：利用漂浮条件测量液体密度。
  • 气球和飞艇：利用空气的浮力。

四、浮力的应用

• 轮船：
  • 原理： 漂浮条件 (F浮 = G物)。
  • 增大排水量的方法： 增加船体的体积，增大V排。
  • 吃水线： 指船身浸在水中的深度。吃水线越深，排水量越大。
• 潜水艇：
  • 原理： 通过改变自身的重力来改变浮力。
  • 上浮： 将水舱中的水排出，减小自身重力。
  • 下沉： 将水舱中注入水，增大自身重力。
  • 悬浮： 调整水舱中的水量，使重力等于浮力。
• 热气球/飞艇：
  • 原理： 利用热空气或氦气等密度小于空气的气体，产生向上的浮力。
  • 热气球： 通过加热空气，降低空气密度，增大空气的浮力。
  • 飞艇： 充入密度小于空气的氦气等，获得浮力。
• 密度计：
  • 原理： 漂浮条件 (F浮 = G物)。
  • 构造： 上粗下细的玻璃管，下部装有金属颗粒。
  • 刻度： 上小下大，刻度值表示液体的密度。
  • 使用方法： 将密度计放入待测液体中，待静止后，读出液面所对的刻度值。
• 救生衣：
  • 原理： 增大人体体积，从而增大浮力。
  • 材料： 采用密度小于水的多孔材料，如泡沫塑料。

五、浮力计算的综合运用

• 多个物体共存时的浮力计算：
  • 将多个物体看成一个整体进行分析。
  • 分别计算每个物体所受的浮力，再求和。
• 涉及压强的浮力问题：
  • 利用压强公式计算物体上下表面受到的压力。
  • 压力差等于浮力。
• 浮力与杠杆的结合：
  • 利用杠杆平衡条件分析力的大小和方向。
  • 考虑浮力对力的影响。
• 浮力与滑轮组的结合：
  • 利用滑轮组的特点分析力的作用。
  • 考虑浮力对力的影响。
• 浮力与能量的结合：
  • 考虑浮力做功。
  • 分析能量的转化。
• 解决浮力计算问题的一般步骤：
  1. 明确研究对象。
  2. 分析物体的受力情况。
  3. 判断物体的状态 (漂浮、悬浮、下沉)。
  4. 选择合适的公式进行计算。
  5. 注意单位统一。
• 易错点：
  • 混淆“浸没”和“完全浸没”。
  • 错误理解V排的含义。
  • 忽略空气的浮力 (空气浮力虽然小，但有时需要考虑)。
  • 不注意单位统一。