师:同学们好,欢迎走进物理课堂。今天我们一起来学习初中物理沪粤版八年级下册第九章第一节——认识浮力。请大家准备好学习任务单,我们先来看两段视频。
(播放视频:航母下水仪式,气球腾空而起)
师:如此庞大的航母为什么不下沉?氢气球为什么能腾空而起呢?我们一起来分析,寻找答案。航母漂浮于水中,处于静止状态,必然受力平衡。航母除了受到竖直向下的重力作用,还受到水对它向上的托力,这个托力就是浮力,施力物体是水,受力物体是航母。氢气球能腾空而起,除受重力外,还受空气对它向上托的力,这个力也是浮力,施力物体是空气,受力物体是气球。接下来,我们一起做个小活动,感受一下浮力。
请同学们拿出准备好的乒乓球、石头和装有水的水盆,将乒乓球慢慢压入水中,手有什么感觉?松手后会看到什么现象?请开始实验。
(学生实验)
师:同学们,做好了吗?当乒乓球部分浸入水中并下移时,手能明显感觉到向上的力吧?当乒乓球完全浸入水中,也就是处于浸没状态时,手同样能感觉到向上的力。松手后,乒乓球迅速上浮,这都是浮力的作用。不管乒乓球是部分浸入还是浸没于水中,都受到水对它的浮力。
我们再来进行另外一个小活动,将石块慢慢放入水中,手会有什么感觉?松手后又会看到什么现象呢?请开始实验。
(学生实验)
师:同学们,做好了吗?当把石块慢慢放入水中时,好像手没感觉到向上的力,松手后石头下沉。此时石块还受到浮力吗?感觉有时并不可靠,为了准确判断,我们需要通过实验来验证。同学们请看,这里有一个弹簧测力计,我们先用它测量石块的重力。现在,我用手缓慢抬起石块,同学们注意观察弹簧测力计的示数变化。
(教师演示)
师:我们发现,当手缓慢抬起石块时,弹簧测力计的示数变小。接下来,我把石块缓慢地浸入水中,同学们再观察弹簧测力计的示数变化。
(教师演示)
师:在石块缓慢进入水中的过程中,弹簧测力计示数逐渐变小。通过刚才的实验,我们发现用手向上轻轻托起石块,弹簧测力计示数变小;将悬挂于空气中的石块浸没于水中,弹簧测力计示数同样变小。没有了手对石块的托力,那是谁对石块产生了向上的托力呢?相信同学们已经想到了,是水对石块有个向上的托力,即石块受到水对它向上的浮力。浸在液体中的物体受到液体对它向上的托力,我们把这个力叫做浮力。
我们继续分析,此时对石块进行受力分析,石块受到竖直向下的重力 (G),细绳对石块的拉力 (F_{示})(大小即为此时弹簧测力计的示数),以及水对石块向上的浮力 (F_{浮})。在这三个力的作用下,石块处于静止状态,受力平衡,所以 (F_{浮}=G - F_{示})。我们把这种方法称为称重法,力既有大小又有方向,通过称重法可以算出浮力的大小,那么浮力的方向是怎样的呢?我们来看一个实验。
(教师演示:在铁架台的烧杯里,用一根细绳一端固定于烧杯底部,另一端固定在乒乓球下,烧杯内装有适量的水。先将烧杯水平放置,再左右倾斜烧杯,观察悬线方向与重垂线方向的关系)
师:我们发现,不管烧杯往哪里倾斜,最终悬线的方向始终与重垂线方向重合。当烧杯水平放置时,悬线方向与重垂线方向一致,通过分析可知小球所受浮力方向竖直向上;当烧杯倾斜时,悬线方向依旧与重垂线方向一致,此时小球所受浮力方向依旧竖直向上。由此我们可以知道,浮力的方向始终是竖直向上的。
我们来总结一下,浸在液体或气体中的物体会受到液体或气体竖直向上的托力,这个托力就叫做浮力。浮力的大小可以用称重法来计算,即 (F_{浮}=G - F_{示})。浮力的方向为竖直向上,浮力的施力物体为液体或气体。我们来看两道随堂练习,画出下列物体在水中所受浮力的示意图,请同学们快速作答。
(学生作答)
师:好,我们一起来看,物体所受浮力的方向始终竖直向上,所以物体所受浮力的方向如图所示。同学们,你们做对了吗?我们再来看第 2 题。如图所示,甲图中弹簧测力计的示数如图,将小石块浸没在水中,弹簧测力计的示数如图乙所示,则小石块浸没在水中时所受浮力为多少牛?请同学们思考。
(学生思考)
师:我们可以用称重法算出此时的浮力。由图可知,此时石块在空气中的重力为 (3) 牛,石块浸在水中时弹簧测力计示数为 (1) 牛。根据称重法,(F_{浮}=G - F_{示}=3) 牛 - (1) 牛 = (2) 牛,所以石块所受浮力为 (2) 牛。通过前面的学习,我们知道了什么是浮力,以及浮力的大小和方向。那么浮力是怎样产生的呢?我们来做个有趣的小活动。
请同学们拿出准备好的乒乓球、去掉底部的饮料瓶、一杯清水。首先,将乒乓球放入饮料瓶中,拧开瓶盖往瓶内加水,同学们有什么发现?
(学生操作并回答)
师:没错,瓶内的乒乓球并没有像我们想象中的那样浮起来,而是牢牢地压在瓶口处。再把瓶盖拧紧,往瓶内加水,此时同学们又看到了什么现象?
(学生操作并回答)
师:乒乓球浮了起来,这是为什么呢?要想知道其中的原因,我们先来复习下液体压强知识。
(教师演示:将左右两侧蒙有橡皮膜的玻璃管放入水中,展示左右两侧橡皮膜凹陷程度相同;再将上下两面蒙有橡皮膜的玻璃管放入水中,展示下方橡皮膜比上方橡皮膜凹陷得更厉害)
师:我们发现,同一深度处水对左右两侧面的压强相同;深度越深,水的压强越大。
我们可以抽象出一个物理模型来分析这个问题。假设在水中取一个立方体物块作为研究对象,我们先来分析左右两个侧面。根据复习可知,两个侧面所受水的压强相同,两侧面的面积也相同。根据压力公式 (F = PS) 可知,左右两侧面所受水的压力大小相同,而且方向共线、反向,物块在左右两侧面受到一对平衡力,左右方向合力为 (0)。同理,前后两侧面所受水的合力也为 (0)。
