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        浮力作用點(diǎn)引發(fā)的思考

        2019-06-29 07:08:28孫東振
        物理通報(bào) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:作用點(diǎn)玻璃管木塊

        孫東振

        (廈門市海滄區(qū)東孚中學(xué) 福建 廈門 361000)

        1 疑問

        初中階段學(xué)生對(duì)浮力知識(shí)的學(xué)習(xí)是一個(gè)難點(diǎn),學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中會(huì)有很多的疑問,對(duì)于授課教師來講,不僅要對(duì)課標(biāo)要求了如指掌,還要加深理論知識(shí)的學(xué)習(xí),才能更好地答疑解惑.下面就平時(shí)學(xué)習(xí)中非常常見的一個(gè)疑問進(jìn)行分析.

        【例1】某一木塊漂浮在水中,如圖1所示,請(qǐng)畫出木塊在水中的受力示意圖.

        首先我們分析木塊受到重力和浮力兩個(gè)力的作用且大小相等,其中重力豎直向下,浮力豎直向上,木塊處于平衡狀態(tài),如圖1所示.

        圖1 例1題圖

        但學(xué)生常會(huì)提出一個(gè)疑問,為什么我們要把重力和浮力的作用點(diǎn)畫在同一個(gè)點(diǎn),我們知道重力的作用點(diǎn)是物體重心,難道浮力的作用點(diǎn)也是物體的重心嗎?如果不是,那浮力的作用點(diǎn)又應(yīng)該是哪里呢?對(duì)于這樣一個(gè)問題,很多教師都是用一句“力是可以平移的”來回答,很顯然是非常不恰當(dāng)?shù)模?/p>

        2 浮心的位置

        我們把物體在液體中所受浮力的作用點(diǎn)叫做浮心,浮心是液體對(duì)與其接觸的物體表面所有壓力的等效作用點(diǎn).現(xiàn)在我們將一個(gè)任意形狀的質(zhì)量分布均勻的物體放入密度均勻的液體中,靜止后處于漂浮狀態(tài),如圖2所示.

        圖2 分析浮心的位置

        由阿基米德原理有,浮力的大小等于物體排開液體的重量,取對(duì)應(yīng)排開液體體積中一個(gè)微元Vi,即可得到

        F浮=ρVpg=∑ρgVi

        其中ρ為液體密度,Vp是物體排開液體的體積,則可以得到浮心的位置坐標(biāo)為

        rB=(x,y,z)

        其中,C為物體的重心,B為浮心,由上面的式子可以看出,密度均勻分布的液體中浮心的位置就是被物體排開的液體的形心.

        因?yàn)橘|(zhì)量均勻分布的物體,重心位置與質(zhì)心和形心位置是同一點(diǎn)[1],所以對(duì)于質(zhì)量分布均勻的物體,浮心的位置與物體液面以下部分的重心的位置是重合的.很顯然,對(duì)于完全浸沒在液體中的質(zhì)量分布均勻的物體,浮心與物體的重心是同一點(diǎn);對(duì)于漂浮的質(zhì)量分布均勻的物體,其浮心應(yīng)該在物體重心的下方.

        3 重心與浮心的關(guān)系

        對(duì)于重心與浮心之間的關(guān)系我們可以借助下面玻璃管的模型來進(jìn)行分析.將空的玻璃管放入水中,恰能豎直漂浮狀態(tài)時(shí),如圖3所示,由以上結(jié)論可知,玻璃管的重心C在浮心B的上方,這種情況下若產(chǎn)生哪怕是非常小的一點(diǎn)波動(dòng),使得玻璃管朝一邊傾斜,這時(shí)重心C與浮心B的連線就會(huì)傾斜,但此時(shí)浮力與重力的方向依然不會(huì)改變,則會(huì)導(dǎo)致重力與浮力產(chǎn)生一組傾覆力矩,由圖可以很明顯看出,該力矩會(huì)促進(jìn)之前的傾斜程度,使得玻璃管傾倒.

        圖3 空玻璃管漂浮在水中

        若在玻璃管中加入一定量的沙石,如圖4所示,物體的重心和浮心位置都有所變化,此時(shí)重心C變到了浮心B的下方,此時(shí)若產(chǎn)生一點(diǎn)小的波動(dòng),使得玻璃管朝一邊傾斜,重心C與浮心B則會(huì)形成一組回復(fù)力矩,由圖可以看出,該力矩會(huì)去修正之前的傾斜狀態(tài),使玻璃管處于穩(wěn)定狀態(tài)[2].

        圖4 玻璃管中加入沙石后的情況

        4 結(jié)論

        處在液體中的物體,其浮心一般不與重心重合,浮心與重心的位置關(guān)系會(huì)影響物體在液體中的穩(wěn)定程度,重心在浮心上面,則物體就處于不穩(wěn)定狀態(tài),反之,當(dāng)重心處于浮心下方時(shí),物體則處于更加穩(wěn)定的狀態(tài).這一點(diǎn)在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應(yīng)用是非常廣泛的,最常見的就是船舶的制造和潛艇的制造.

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