八年级:阿基米德原理及应用

2000多年前古希腊学者阿基米德鉴定国王王冠的历史故事早已熟悉,当阿基米德跨进浴缸时,观察到浴缸中水向外溢出,发现了浸到液体中物体的体积等于物体排开液体的体积,由此揭开了王冠之谜。

阿基米德

我们知道,浸在液体中的物体都会受到液体向上的浮力,计算浮力的大小的方法我们在前面课程中已经学过.

●压力差法:F浮=F下-F上

如下图所示:

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八年级:浮力产生的原因

●称重法:F浮=G-F

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八年级:[实验]浮力的大小与方向

●平衡法:悬浮或漂浮,F浮=G物

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八年级:物体的沉浮条件

在许多情况下,即不能用弹簧测力计直接测量浮力,又不能通过物体的状态计算浮力,那么,浮力的大小又如何测量或计算呢?

【举手提问】

  1. 浮力的大小与哪些因素有关?

  2. 什么是阿基米德原理?

  3. 如何应用阿基米德原理计算浮力的大小?

【新课学习】

一、浮力大小的相关因素

[想想做做]

受阿基米德测皇冠体积的启发,自找器材完成一个小实验:
将盛满水的小桶放在小盆中,用手把空饮料罐按入水中,观察饮料罐浸入水中的体积和排开水的多少,感受浮力的变化。
在实验中发现,饮料罐浸入水中的体积越多,排开水的体积就越多,同时手会感觉越吃力。
实验表明:
物体排开得水越多,浮力就越大。
由于浮力跟液体的密度有关,根据ρ=m/V得:m=ρV可以猜测浮力的大小跟排开液体的质量有关.
因为G=mg,可进一步推测浮力的大小跟排开液体的重力有关。
为了验证以上猜想是否正确,请打开视频看看《探究浮力的大小与哪些因素有关》实验。

[观察与实验]

视频:探究浮力的大小与哪些因素有关
(选择音量横屏看)

[实验反思]

实验应换不同液体和改变物体体积至少做三次,得出的结论才具有普遍性,因时间所限本视频只做一次,有兴趣的同学可按此做法再做几次。
在实验过程中发现:

1.当液体密度一定时,物体排开的液体越多,物体所受浮力就越大。

例如:轮船排水量越多受到的浮力就越大.

2.当物体排开液体的体积一定时,液体的密度越大,浮力就越大。
例如,用“称重法”测浮力的大小实验中,石块浸没在密度大的盐水中,比浸没在水中石块受到的浮力大.

F浮=G-F=0.4N-0.12N=0.28N.

F浮=G-F=0.4N-0.08N=0.32N.

3.浮力的大小跟物体的形状和物体在液体中的深度无关。
实验表明:

浸在液体中的物体都会受到液体向上的浮力,浮力的大小跟物体排开液体的体积和液体的密度有关.

二、阿基米德原理

在“探究浮力的大小与哪些因素有关”实验中.

1.浮力的大小先用“称重法”测出。

如下图:

F浮=G-F=0.5N-0.3N=0.2N

2.物体排开液体所受的重力通过对小桶前后两次测量测出。

如下图:

G排=G桶+水-G桶=0.3N-0.1N=0.2N
3.实验证明:F浮=G排=0.2N

阿基米德原理:

浸在液体中的物体所受的浮力,大小等于它排开液体所受的重力。
这就是著名的阿基米德原理。
用公式表示:F浮=G排
因为G=mg→m=ρV→G=ρgV,所以,
浮力公式:F浮=G排=ρ液gV排
三、阿基米德原理应用题例分析
●例题1:(2020绥化)(6分)
小红设计了如图所示的实验来探究“浮力的大小跟排开液体所受重力的关系.

(1)实验的最佳顺序是             .

A.甲、乙、丙、丁

B.丁、甲、乙、丙

C.乙、甲、丁、丙

(2)图乙中物体受到的浮力是          N.通过实验可得到的结论是:浸在液体中的物体,受到的浮力大小等于它                      .

(3)以下情况会影响结论的是              .

A.图乙中水面未到达溢水杯的溢水口

B.图乙中物体未全部浸没在水中

(4)将图乙中的水换成酒精(ρ酒精=0.8×10³kg/m³),物体受到的浮力     .

(选填“变大”“变小”或“不变”)

(5)小红利用上述实验中的器材和木块,探究“漂浮在液面上的物体所受浮力的大小是否遵循阿基米德原理”,实验过程中           步骤不需要弹簧测力计.(选填“甲”“乙”“丙”或“丁”)

【例题分析】

(1)此实验是探究“浮力的大小跟排开液体所受的重力的关系”,实验中尽量把测量小桶的重力放在前面,最后测量桶和水的总重力,因此最佳顺序是丁、甲、乙、丙;

(2)图乙中物体受到浮力F浮=G-F=2N-1N=1N;通过实验得出结论:浸在液体中的物体,受到的浮力大小等于它排开液体所受的重力;

(3)当图乙水面未到达溢水杯口时,图乙中溢出水的体积不等于排开水的体积,因此将会影响结论;

(4)在图乙中将水换成酒精,液体密度减小,排开液体体积不变,根据阿基米德原理F浮=ρ液gV排可知,物体受到浮力将变小;

(5)要探究“漂浮在液面上的物体所受的浮力大小是否遵循阿基米德原理”,实验过程中乙步骤不需要测力计,漂浮时浮力等于重力,不需要测量拉力.

参考答案:

(1) B    (2)1排开液体所受的重力

(3) A   (4)变小  (5)乙

●例题2:(2019邵阳)
体积为2.0×10-3m³ 的铝块浸没在水中时,受到的浮力为           N.
(g取10 N/kg)
解:V铝=2.0×10-3m³,因为铝块浸没在水中,V排=V铝=2.0×10-3
根据阿基米德原理:
F浮=ρ液gV排=1x103kg/m³x10 N/kgx2.0×10-3m³=20N.
●例题3:(2017江西20题)(7分)
如图所示,将边长为5cm的实心正方体木块轻轻放入装满水的溢水杯中,木块静止时,从杯中溢出水的质量为0.1 kg(g取10 N/kg).求:

(1)木块受到的浮力;

(2)木块的密度;

(3)木块下表面受到水的压强.

解:(1)根据阿基米德原理可得:

F浮=G排=m排g=0.1 kg×10 N/kg=1 N
(2)由于木块漂浮,根据物体的浮沉条件可得木块的重力
G木=F浮=1N
木块的质量:
m木=G/g=1N/10N/kg=0.1kg
木块的体积:
V木=(0.05m)³=1.25×10-4m3
故木块的密度:
ρ木=m木/V木
=0.1kg/1.25×10-4m3 =0.8×103kg/m3
(3)由于F浮= F向上-F向下=1N,且木块漂浮在水面上,F向下=0N
所以木块下表面受到的压力:
F向上=F浮=1N
故木块下表面受到的压强
p=F向上/ S =1N/(0.05m)²=400 Pa
【中考真题训练】
  1. (2019天津)

小明在学习“阿基米德原理”时,做了如图所示的实验.由图可知物体A所受浮力为         N;由阿基米德原理可知,丙图中弹簧测力计的示数应为       N.

2.(2019福建)(5分)

如图,“验证阿基米德原理”的实验步骤如下:

①用弹簧测力计测出物体所受的重力G(图甲);
②将物体浸没在水面恰好与溢口相平的溢水杯中,用空的小桶接从溢水杯里被物体排开的水,读出这时测力计的示数F(图乙):
③测出接水后小桶与水所受的总重力G(图丙);
④将小桶中的水倒出,测出小桶所受的重力G(图丁);
⑤分别计算出物体受到的浮力和排开的水所受的重力,并比较它们的大小是否相同.

回答下列问题:

(1)物体浸没在水中,受到水的浮力F浮=           ,被排开的水所受的重力G排=          .(用上述测得量的符号表示)

(2)指出本实验产生误差的原因(写出两点):

(a)                   ;(b)            .

(3)物体没有完全浸没在水中,            (选填“能”或“不能”)用实验验证阿基米德原理.

3.(2019河池)(6分)

“在王冠之谜和阿基米德原理”的故事中,若王冠的质量为0.48kg,浸没在水中时,排开水的体积为4x10-5m3.求:

(1)王冠的密度是多少kg/m3

(2)王冠浸没时受到水的浮力是多少N?

4.(2020常州)(9分)

创新小组自制简易“浸没式液体密度计”,过程为:

①将一实心小球悬挂在弹簧测力计下方,示数如图甲所示;

②将小球浸没在水中,弹簧测力计示数如图乙所示;

③将小球浸没在某未知液体中,弹簧测力计示数如图丙所示.

已知ρ水=1×10³kg/m³、g取10N/kg,问:

(1)该小球的密度有多大?

(2)未知液体的密度有多大?

(3)该密度计的最大测量值是         kg/m³.

(4)在测量范围内,某待测液体的密度ρ测与弹簧测力计示数F拉的关系式为

ρ测=         kg/m³,该“浸没式液体密度计”的刻度值分布            .

(选填“均匀”或“不均匀”)

5.(2020郴州)(10分)

一边长为10cm的正方体物块,用细线系在底面积为200cm²的圆柱形容器底部.向容器内加水,物块上浮,被拉直后的细线长10cm.当物块一半体积浸入水中时(如图甲),细线拉力为3N;继续加水,当物块刚好浸没时(如图乙),停止注水,并剪断细线,使物块上浮直至漂浮.(g=10 N/kg).

求:

(1)物块处于图甲所示状态时所受浮力大小;

(2)物块密度;

(3)剪断细线后,物块漂浮时,水对容器底部的压强.

参考答案:
1.  1  1.5
2.  (1)  G-F   G1-G2
(2)(a)测力计的精度不够或测量时测力计未保持静止
(b)小桶中的水未倒净或排开的水未全部流入小桶
(3)能
3.解:(1)浸没在水中时,王冠的体积:V=V排=4x10-5m3
王冠的密度:
ρ=m/V=0.48kg/4x10-5m3
=12×103kg/m3
(2)王冠浸没时受到水的浮力:
F浮=ρ水gV排
=1.0×103kg/m3×10 N/kgx4x10-5m3
=0.4 N

4.

5.

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