3 科学探究：浮力的大小（教学课件）物理新教材教科版八年级下册

第3节 科学探究 浮力的大小 八年级物理下册 •教科版 第十章—流体的力现象 教学引入 1 测量浮力的方法 F浮= F1-F2 称重法 F1 G F2 G F2 F浮 G 物体浸在液体中所受的浮力大小等于弹簧测力计示数减小的数值。 浮力大小和什么因素有关? 复习回顾 浮力大小与什么因素有关 2 【提出问题】 探究实验：浮力大小与什么因素有关 浮力大小与哪些因素有关？ 【猜想与假设】 液体对物体产生浮力，浮力的大小可能与液体的密度有关。 船运载货物多少与船大小有关，浮力可能与物体浸入液体的体积大小有关。 木头能漂在水面上，铁块会沉入水底，浮力可能与物体的密度有关。 将空饮料罐用力按入水桶，浸入水中过程中，手感觉到向上的力变大，浮力可能与液体深度有关。 演示实验 浮力大小与什么因素有关 2 弹簧测力计，体积相等的铝块，铜块，铁块，水槽，酒精，水， 盐水，细线等。 控制变量法 【实验器材】 铁块 【实验方法】 铝块 铜块 浮力大小与什么因素有关 2 1. 探究浮力大小与物体浸在液体中的深度关系 ①用弹簧测力计测量出铁块的重力G； ②将铁块浸没在水中，读出弹簧测力计的示数； ③改变铁块在水中浸没的深度，读出弹簧测力计的示数。 【实验过程】 改变（浸没前） 不改变（浸没后） 深度h/cm 0 1 2 3 4 5 6 重力G/N 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 弹簧测力计示数F拉/N 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.4 0.4 浮力F浮/N 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.8 0.8 【视频欣赏】 结论：浮力大小与物体浸没水中后的深度无关。 浮力大小与什么因素有关 2 2. 探究浮力大小与物体浸在液体中的体积关系 结论：在同一液体中，物体浸在液体中的的休积越大，浮力越大。 ①用弹簧测力计测量出铁块的重力G； ②把铁块小部分体积浸入在水中，读出弹簧测力计的示数； ③逐渐增大铁块浸在水中的体积，直至完全浸没并读出弹簧测力计的示数。 物体浸在液体中的体积V排/cm3 0 1/5V物 2/5V物 3/5V物 4/5V物 V物 重力G/N 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 弹簧测力计示数F拉/N 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 浮力F浮/N 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 浮力大小与什么因素有关 2 3. 探究浮力大小与液体的密度关系 ①用弹簧测力计测量出铁块的重力G； ②将铁块分别浸没在酒精、水和盐水中，读出弹簧测力计的示数。 液体种类 酒精 水 盐水 重力G/N 1.8 1.8 1.8 弹簧测力计示数F拉/N 1.4 1.2 0.9 浮力F浮/N 0.4 0.6 0.9 结论：物体的密度和排开液体体积一定时，液体密度越大，浮力越大。 【视频欣赏】 浮力大小与什么因素有关 2 4. 探究浮力大小与物体密度关系 ①用弹簧测力计分别测出体积相等的铝块、铜块的重力； ②把铝块、铜块分别悬挂在弹簧测力计下端浸没水中，观察记录弹簧测力计示数。 物体种类 铝块 铜块 重力G/N 0.28 0.88 弹簧测力计示数F拉/N 0.18 0.78 浮力F浮/N 1 1 结论：浮力的大小跟固体的密度无关，在浸入同种液体的体积相同时，所受浮力相等。 【视频欣赏】 浮力大小与什么因素有关 2 如图所示， 将弹簧测力计换成力传感器，逐渐增加升降台的高度，改变物块浸在水中的体积V，计算机可绘制出F浮 -V图像 浮力大小与什么因素有关 2 物体在液体中所受的浮力大小，跟它浸在液体中的体积有关，跟液体的密度有关。 当液体的密度一定时，物体浸在液体中的体积越大，浮力越大； 当物体浸在液体中的体积一定时，液体的密度越大，浮力越大。 【归纳总结】 浮力大小与什么因素有关 2 【交流与讨论】 物体浸没前，浮力的大小与物体浸在液体中的深度是否有关? 实验现象：两次弹簧测力计示数相等。 浮力的大小与物体浸在液体中的深度无关。 　　将带刻度线的长方体金属块(如图所示，其横向和纵向各有一条中位线)， 浸入水中但不完全浸没。 　　传说古希腊科学家阿基米德(前287-前212)，为了鉴定金王冠是否是纯金的，要测量王冠的体积，而他苦想了很久都没有结果。一天，他跨进盛满水的浴缸洗澡时，身体越往水下浸，从盆中溢出的水越多，人感到身体越轻。他忽然想到：物体浸在液体中的体积，不就是物体排开液体的体积吗？ 【视频欣赏】 阿基米德原理 3 阿基米德原理 3 阿基米德灵感的启示 决定浮力大小的因素： 物体浸在液体中的体积越大，液体的密度越大，浮力越大。 取代 　　　　　　　　　 越大，液体的密度越大，浮力越大。 物体排开液体中的质量越大，浮力越大。 物体重力与其质量成正比 物体所受的浮力与它排开液体所受的重力是否有直接关系呢？ 物体排开液体的体积 【视频欣赏】 阿基米德原理 3 【猜想与假设】 探究实验：浮力与物体排开液体重力的关系 实验探究 浮力的大小跟排开液体所受的重力应该有一定的关系，大小可能相等。 【方案思路】 本实验需要先测量两个量： 物体所受的浮力 物体排开液体的重力 再分析两者的关系。 阿基米德原理 3 F2 F1 ①测量浮力的方法 称重法 ②排开液体所受的重力 溢水法 G0 G物 F拉 G总 F浮=F1-F2 G排=G总-G0 溢水杯盛满液体，把物体浸在液体中，物体排开液体流入小桶中，小桶中的液体就是被物体排开的液体，在使用弹簧测力计测出排开液体所受的重力。 阿基米德原理 3 【实验器材】 弹簧测力计、溢水杯、小桶、重物、适量的水。 　　先测量出铁块所受重力的大小，再把铁块浸没在装满水的溢水杯中，读取弹簧测力计的示数，计算出铁块受到的浮力； 　　然后，测量出被铁块从溢水杯排到小桶中的水所受的重力； 　　比较铁块受到的浮力和其排开水的重力关系。 【实验过程】 阿基米德原理 3 次数 物体的重力G物 物体在液体中测力计示数F 浮力F浮 小桶和排液的总重G总 小桶的重力G桶 排开液体的重力G排 1 2.0N 1.5N 0.5N 0.7N 0.2N 0.5N 2 2.0N 1.6N 0.4N 0.6N 0.2N 0.4N 3 2.0N 1.8N 0.2N 0.4N 0.2N 0.2N ...... 【实验数据】 【实验结论】 浮力的大小等于它排开的液体所受的重力，即F浮= G排 阿基米德原理 3 【交流与合作】 　　如果溢水杯中的水没有加满，当物体浸没在水中时，溢水杯中的水面升至满杯时才会有水溢出，从而使溢出的水的体积小于物体排开的水的体积，使测得物体排开水所受重力偏小。 1. 在探究过程中如果溢水杯中的水没有加满，会造成什么影响? V排＜V物 V排＝V物 阿基米德原理 3 　　如果倒出水后再测空桶的重力，桶内的水不能全部倒净，内壁会附有少量的水，使测得的桶的重力偏大，G排偏小，测得的结果不准确。故实验中应先测小桶的重力。 2. 实验中，若先测循和溢出水的心力，再将水倒出后测量空桶的重力，测量结果会怎样？ 3. 实验中，如何是实验结果更为具普遍规律？ 需换用不同的物体进行多次实验，避免实验偶然性，从而得到普遍规律。 阿基米德原理 3 阿基米德原理 1. 概念： 　　浸在液体中的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受到的重力。 2. 数学表达式： F浮=G排 推导式： F浮=G排=m排g=ρ液gV排 阿基米德原理 3 3. 对阿基米德原理的理解 ①影响浮力大小的因素： F浮＝ρ液 gV排 浮力大小只和液体密度、物体排开液体体积有关。 与物体的形状、密度，浸没在液体一的深度及物体在液体中是否运动等因素无关。 阿基米德原理不仅适用于液体，也适用于气体。 ②适用性： 阿基米德原理 3 如图所示，物体“浸在液体里”包括“全部浸入(即浸没)”和“部分浸入”。 ③浸没、浸入、浸在、没入 部分浸入 全部浸入 V排=V浸=V物 V排=V浸＜V物 不论物体是浸没还是部分浸入在液体里都受到浮力。对于同一物体而言，浸没时受到的浮力大，部分浸入时受到的浮力小，而且浸入的体积越小，所受的浮力也越小。 阿基米德原理 3 4. 推导与排开液体的体积和液体密度相关的浮力公式 　　结合浮力定义推导与液体排开体积和液体密度相关的浮力公式(正方体边长为L液面距物体上表面的深度为h，液体密度为ρ液) F浮=G排=m排g=ρ液gV排 F2 F1 F浮=F2-F1 =p2L2-p1L2 =ρ液g(h+L)L2-ρ液ghL2 =ρ液gL3=ρ液gV物 L h ①物体浸没：物体排开液体体积等于物体体积 阿基米德原理 3 ②物体漂浮：物体排开液体体积小于物体体积 L h 　　推导如图情景下与排开液体体积和液体密度相关的浮力公式(正方体边长为L液面距物体上表面的深度为h，液体密度为ρ液) F浮=F向上-F向下 　 =p向上L2-0 =ρ液ghL2 =ρ液gV排 ＜ρ液gV物 无论物体是漂浮、悬浮还是沉在水中，它所受的浮力都等于其排开的水所受到的重力。 阿基米德原理 3 漂浮在水面的冰山 悬浮水中游动的鲸鲨 沉底的石块 阿基米德原理应用 4 讨论交流 　　在死海中，海水的密度高达1.18×10kg/m3，如图所示，人们可以很轻松地在海面仰卧，甚金还可以看书！请你应用阿基米德原理作出解释： 　　由于死海的盐度很高，水中的密度也很大，因此每单位体积的水会比普通海水提供更多的浮力。人浸泡在死海中时，人体上的气泡会被 压缩，这将减少人体在水中的体积，并增加人体的密度。 因此，人体在死海中的密度比水大，但是由于死海提供的 浮力很大，人体仍然可以轻易地漂浮在水面。 总之，死海漂浮的原理是因为死海水的高盐度提供了更大 的浮力，使得人体可以轻松地漂浮在水面上。 阿基米德原理应用 4 1.浮力的计算 【例】一个边长为3cm，密度为2×103kg/m3的立方体橡皮泥块浸没在水中时受到的浮力是多少?如果把这块橡皮泥捏成一只小船浮在水面上，小船所受浮力是多少?(取g=10N/kg) 用橡皮泥捏成的小船浮在水面上 根据阿基米德原理，橡皮泥受到浮力等于它排开水所受的重力。把橡皮泥捏成小船，因其处于二力平衡状态，所以浮力等于橡皮泥所受的重力。 分析 如果橡皮泥块浸没在水中，它排开水的体积 解： V排=V橡= 0.03m×0.03m×0.03m =2.7×10-5m3 排开水的质量 m排=ρ水V排=1×103kg/m3×2.7×10-5m3=2.7×10-2kg 阿基米德原理应用 4 排开的水受到的重力 G排=m排g= 2.7×10-2kg×10N/kg= 0.27N 根据阿基米德原理，可以得到 F浮=G排= 0.27N 如果把这块橡皮泥捏成小船，橡皮泥的质量不变，其所受重力不变。橡皮泥在水中漂浮时处于二力平衡状态，有 F浮=G橡=m橡g=ρ橡V橡g=2×103kg/m3×2.7×10-5m3×10N/kg=0.54N 答：橡皮泥块浸没在水中时受到的浮力为0.27N，橡皮泥漂浮时受到的浮力为0.54N。 阿基米德原理应用 4 2.比较浮力的大小 ①质量相同的两个实心铜块甲和乙，甲浸没在水中，乙浸没在煤油中，哪个受到的浮力大? F浮=G排 =ρ液gV排 V排相同，比ρ液 水 煤油 甲 乙 ρ水＞ρ煤油 F浮甲＞F浮乙 阿基米德原理应用 4 煤油 铝 铜 ②质量相同的实心铝块和铜块，都浸没在煤油中，哪个受到的浮力大? F浮=G排 =ρ液gV排 m铝=m铜 ρ铝＜ρ铜 V=m/ρ V铝＞V铜 V铝排＞V铜排 ρ液相同，比V排 F浮铝＞F浮铜 阿基米德原理应用 4 水 煤油 铝 铜 ③把刚才的铜块浸没在煤油中，铝块浸没在水中，哪个受到的浮力大? F浮=G排 =ρ液gV排 ρ水＞ρ煤油 F浮铝＞F浮铁 V铝排＞V铜排 阿基米德原理应用 4 　　橡皮泥小船比橡皮泥立方体能排开更多的水，这说明采用“空心”的办法能增大可供利用的浮力，据此人们用密度远大于水的钢铁制造了轮船。 1. 浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的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，用公式表示就是： F浮＝_____，阿基米德原理不仅适用于液体，也适应用于______。 课堂练习 5 G排 气体 2. 如图所示，四个体积相同而材料不同的球甲、乙、丙、丁分别静止在水中的不同深度处。以下说法正确的是（　　） A．甲球所受的浮力最小 B．乙球所受的浮力最小 C．丙球所受的浮力最小 D．丁球所受的浮力最小 课堂练习 5 A 3. 如图所示，在容器中放一个上、下底面积均为10cm2、高为5cm，体积为80cm3的均匀对称石鼓，其下底表面与容器底部完全紧密接触，石鼓全部浸没于水中且其上表面与水面齐平，则石鼓受到的浮力是（　　）（取g＝10N/kg） A．0 B．0.3N C．0.5N D．0.8N 课堂练习 5 B 4. 一枚重量为G的鸡蛋悬浮在盐水中，如图所示。往盐水中继续均匀缓慢加盐（盐水未到饱和），鸡蛋所受浮力F随时间t变化的图像可能是（　　） A． B． C． D． 课堂练习 5 A 课堂小结 6 阿基米德原理 浮力大小与什么因素有关 F浮= G排= ρ液 gV排 阿基米德原理 通过浮力的变化情况推断其它力的变化情况 计算V排，计算F浮 比较浮力的大小 通过浮力测密度 探究浮力大小跟排开液体所受重力的关系 物体在液体中所受的浮力大小，跟它浸在液体中的体积有关，跟液体的密度有关。 阿基米德原理 阿基米德原理应用 发展空间 7 家庭实验室 探究阿基米德原理 【实验验证】如图所示，用弹簧测力计吊起一个装满水的小塑料袋（袋内不留空气），观察弹簧测力计的示数。然后把这袋水逐渐浸入水中，弹簧测力计示数怎样变化？这袋水完全浸入水中时受到的浮力是多少？通过受力分析可以得到什么启示？ 【理论探究】把小塑料袋中的水看作是从整杯水中隔出的一部分水。这部分水静止，根据二力平衡条件，袋中水受到的浮力等于袋中水受到的重力。 　　如果把袋中的水换成相同体积、相同形状的固体， 根据图的实验结论，水对这块固体的作用和对袋中水的作用是一样的，这个作用就是浮力，等于袋中水所受的重力，即等于固体排开的水所受到的重力。 图1 图2 $$