4.4 水的浮力（教学课件）科学新教材浙教版八年级上册

第4节 水的浮力 科学八年级上册 •浙教版 第四章 水与人类 教学重难点 教学难点 教学重点 1.浮力 2.阿基米德原理 3.物体浮沉的条件 4.浮力的应用 1.浮力 2.阿基米德原理 3.物体浮沉的条件 4.浮力的应用 课堂引入 我国第一艘自主设计、自主建造的航空母舰“山东舰”，舰长超过300米，甲板面积有3个足球场那么大。这艘又大又重的航空母舰能够在大洋中破浪前行，还能承载多达36架的舰载机以及其他舰载武器和设备，而一枚铁钉放入水中却会下沉，这是什么原因? 知识点1 浮力 1.浮力：泳池中游泳的运动员、湖中游弋的游船、海洋中漂浮的冰山，都受到重力的作用，但它们并没有因此沉入水中，这是因为水产生了向上托的力，托住了它们。浸在液体中的物体受到液体对它向上的力，这个力叫作浮力. 我们可以通过一只气球来感受浮力的作用。如图4.4-1所示，把气球按入水中，可以感觉到水对气球的浮力。气球浸入水中部分的体积越大，手往下用力也越大，说明气球受到的浮力也越大。 浮在水面的物体受到水的浮力，那么，在水中下沉的物体(如石块、铁钉)也受到水的浮力吗? 知识点1：浮力 2.称重法：先用弹簧测力计在空气中测量出物体的重力G，再用弹簧测力计测出物体浸在液体中的示数F拉，两次弹簧测力计的示数差就是浸在液体中的物体所受浮力的大小，F浮=G- F拉。 知识点1：浮力 3.探究影响物体受到浮力大小的因素 （1）提出猜想： ①浮力大小与物体浸入液体中的液体有关 ②浮力大小可能与液体密度有关 ③浮力大小可能与浸入液体中的深度有关 （2）实验步骤：①将重物悬挂于弹簧测力下端，慢慢浸入水中直至浸没，观察弹簧测力计示数变化，记录物体浸没时弹簧测力计示数。 ②取出重物，擦净、晾干，再次将重物悬挂于该弹簧测力计下，慢慢浸入盐水中 直至浸没，并观察记录弹簧测力计示数变化，录物体浸没时弹簧测力计示数。 （3）实验结论： 对比图①②③④可以得出：液体密度相同时，物体浸入液体中体积越大，浮力越大。 对比图①④⑤可以得出：物体浸入液体中体积相同时，液体密度越大，浮力越大。 探索新知 典例分析 例1 杭州亚运会期间，同学们在操场放飞代表希望的气球，气球在斜向上升空过程中受到空气浮力的方向是（　　） A．F1 B．F2 C．F3 D．F4 【解析】浮力方向竖直向上，由图可知，气球在斜向上升空过程中受到空气浮力的方向是F3，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 典例分析 例2 往容器中注入一些水，如图所示，a、b是能自由移动的物体，c、d是容器自身凸起的一部分，则下列说法中错误的是（    ） A．a物体一定受浮力作用 B．b物体一定受浮力作用 C．c物体一定受浮力作用 D．d物体一定受浮力作用 【解析】A．由图可知，水对a物体上下表面产生了的压力差，故a物体一定受浮力的作用，故A正确，不符合题意； B．b物体上表面没有受到水的压力，但下表面受到 水的压力，因此水对b物体上下表面产生了的压力差，故b物体也受浮力的作用，故B正确，不符合题意； C．c物体物体上表面受到水的压力，但下表面没有受到水的压力，因此水对c物体上下表面没有产生压力差 ，故c物体不受浮力的作用，故C错误，符合题意； D．由图可知，水对d物体上下表面产生了的压力差，故d 物体受浮力的作用，故D正确，不符合题意。 故选C。 典例分析 例1 人在齐胸深的水中时，会感到轻飘飘，这是因为（　　） A．人在水中受到的重力变为零 B．人在水中受到的重力变小了，但不为零 C．人在水中受到水对他向上的浮力 D．人在水中受到水对他向下的压力 【解析】AB．人的重力会因为位置的改变而改变，比如纬度、高度、星球，但是不会因为在水中重力变小，所以AB不符合题意； CD．人的重力方向是竖直向下的，且在水中大小不变，但是在水中的人却感到轻飘飘的，说明水中的人受到一个向上的浮力；若是受到向下的压力，那么人应该感受到的是向下沉底的感觉，所以C符合题意，D不符合题意。 故选C。 知识点2 阿基米德原理 1.阿基米德原理：据说，2000多年前，科学家阿基米德在洗澡时得到启发，意识到人进入装满水的浴盆中，溢出水的体积正好等于身体浸入水中的体积。受此启发，他把王冠与相同质量的纯金浸没在水中，比较它们排开水的体积是否相同，由此判断王冠是否掺了假。在此基础上，他进一步研究，总结出著名的浮力原理一-阿基米德原理。 知识点2：阿基米德原理 2.浮力与排开液体重力的关系：铝块浸在水中时，它占据了原来由水占据的空间，也就是说，它排开了这个空间中的水。因此，铝块浸在水中的体积，也可以表述为“铝块排开水的体积”。铝块排开水的体积越大，受到的浮力就越大。而物体的质量大小与体积大小有关，因此，可以推断，铝块受到的浮力大小与它排开水的质量大小有关，也就是与它排开水所受的重力大小有关。 不但液体会产生浮力，气体也会产生浮力。阿基米德原理同样适用于气体浮力的计算。 知识点2：阿基米德原理 3.阿基米德原理的公式为: 4.阿基米德原理的解释：我们可以在水中划出任意形状的一部分水，如边长为d的正方体水块，如图4.4-7所示。这块正方体水块静止在水中，其所受的浮力等于它自身所受的重力。若将同样大小的正方体物块浸没在水中这个位置时，物体浸入水中，它占据了原来由水占据的空间，相当于用该物块替换了原来的正方体水块，也就是物块排开了这块正方体水块，即物体所受浮力等于排开的这块水所受的重力。 知识点2：阿基米德原理 5.上下表面压力差法：液体内部压强随深度增加而增大。把正方体物块浸没在水中时，物块前后面、左右侧面所处深度相同，受到液体的压力相互平衡。物块上、下表面所处深度不同，液体对物块下表面的压强大于液体对物块上表面的压强，下表面所受液体向上的压力F2大于物块上表面所受液体向下的压力F，如图4.4-7丙所示，即物块上、下表面受到液体对它的压力不同，这就是浮力产生的原因。 知识点2：阿基米德原理 阿基米德 阿基米德(Archimedes，公元前287一公元前212)，古希腊哲学家、科学家。他在数学上有着极为光辉灿烂的成就，尤其在几何学方面。在科学上的贡献主要有两项，一是关于平衡问题的研究，提出杠杆平衡条件;二是关于浮力问题的研究，提出浮力原理。在机械工程方面，他发明了一种螺旋提水器，运用杠杆原理制造了投石机以用作武器。据说，罗马军队攻入阿基米德居住的叙拉古城，一个士兵闯入阿基米德的居室时，阿基米德正在沙堆上专心研究一个几何问题。由于他过于专注研究，沉浸在学术乐趣之中，未能察觉危险正在临近。士兵高声喝问，沉思中的阿基米德只叫了一声“不要踩坏了我的圆”，便被士兵刺死。一位科学巨匠就这样死在野蛮的罗马士兵刀下。 知识点2：阿基米德原理 典例分析 例1 潜水艇从海水高密度区驶入低密度区，急剧下降的过程称为“掉深”。如图，某潜水艇从a处驶入低密度海水区，“掉深”到b处。与a处相比，潜水艇在b处（　　） A．受到浮力大小变小 B．受到浮力大小不变 C．排开液体重力变大 D．排开液体体积变小 【解析】ABD．潜水艇从海水高密度区驶入低密度区，排开水的体积不变，根据F浮=ρ液V排g可知，潜水艇受到的浮力变小，因此与a处相比，潜水艇在b处受到浮力大小变小，故A符合题意，BD不符合题意； C．根据阿基米德原理可知，物体浸在液体中受到的浮力等于其排开的液体受到的重力，由于潜水艇受到的浮力变小，所以潜水艇排开液体的重力变小，即与a处相比，潜水艇在b处排开液体重力变小，故C不符合题意。 故选A。 典例分析 例2 某同学用图所示实验装置验证阿基米德原理。将物块和空桶挂在弹簧测力计上，读数如图1所示；将物块浸没在装满水的溢水杯中，稳定后，弹簧测力计的读数如图2所示。此时物块受到的浮力大小是（　　） A．0.5牛 B．0.9牛 C．1.5牛 D．3.5牛 【解析】如图1所示，弹簧测力计测量物块的重力，重力为2牛。如图2所示，将物块浸没在装满水的溢水杯中，弹簧测力计示数为1.5牛，此时物块受到向上的拉力和浮力，向下的重力，故此时物块所受浮力为0.5牛 故BCD不符合题意，A符合题意。 故选A。 典例分析 例3 小实将两块质量相同的橡皮泥分别做成两个大小不同的空心球，放入相同的两杯水中，静止后状态分别如图甲、乙所示。下列说法正确的是（　　） A．甲中橡皮泥受到的浮力大 B．乙中橡皮泥受到的浮力大 C．两杯水的液面一样高 D．甲杯水的液面比乙高 【解析】AB．两块相同的橡皮泥，重力相等，分别做成两个大小不同的空心球，放入相同的两杯水中，静止后甲图中小球悬浮，乙图中小球漂浮，浮力都等于重力，故浮力大小相等，故AB错误； CD．根据阿基米德原理知，甲乙两图中空心球排开液体的体积相等，即液面升高的高度相等，因而两杯水的液面一样高，故C正确，D错误。 故选C。 知识点3 物体浮沉的条件 2.浮沉条件的探究实验 （1）如图4.4-10所示的实验:将一颗鸡蛋放在盛有水的烧杯里，鸡蛋将沉人杯底。当把食盐逐渐溶解在水中后，鸡蛋将悬浮在盐水中。 （2）继续溶解食盐，鸡蛋会上浮到液面。为什么鸡蛋在含盐量不同的液体中会出现不同的浮沉状态呢? （3）浸没在液体中的鸡蛋，受到竖直向下的重力和竖直向上的浮力。根据鸡蛋所受浮力与重力的大小关系， （4）浸没在液体中的物体的浮沉情况可表述如下: 当浮力小于重力时，物体下沉; 当浮力大于重力时，物体上浮; 当浮力等于重力时，物体受力平衡，可以悬浮在液体中。 知识点3：物体浮沉的条件 3.根据密度判断物体飘浮还剩悬浮：浸没在液体中的物体，如果它的密度大于液体密度，物体下沉;如果它的密度小于液体密度，物体上浮;如果它的密度等于液体密度，物体悬浮在液体中。根据这个原理，农业上利用盐水选种，清除漂浮种子，选出下沉饱满的种子。 知识点3：物体浮沉的条件 典例分析 例1 如图所示，游客从岸边缓慢登上游船后，游船仍保持漂浮。游客上船后，整艘游船所受的浮力与游客上船前相比将（　　） A．减小 B．不变 C．增大 D．无法判断 【解析】游船始终漂浮，漂浮时浮力等于总重力。游客登船后，船和人的总重力变大，因此浮力也随之增大。故选C。 典例分析 例2 小科将两块相同的橡皮泥分别做成空心球形和碗形，放入相同的两杯水中，静止后的状态分别如图甲、乙所示。下列说法正确的是（　　） A．甲中橡皮泥的浮力大 B．乙中橡皮泥的浮力大 C．甲杯水的液面比乙高 D．两杯水的液面一样高 【解析】两块相同的橡皮泥，重力相等，分别做成空心球形和碗形，放入相同的两杯水中，开始的水面高度相等，静止后的状态分别如图甲、乙所示，分别的悬浮和漂浮，浮力都等于重力，故浮力大小相等，根据阿基米德原理知，排开液体的体积相等，即液面升高的高度相等，因而两杯水的液面一样高，故D正确，ABC错误。 故选D。 典例分析 例3 三个完全相同的烧杯，分别装有相同体积的甲、乙、丙三种不同液体，将烧杯放在同一个水槽中，静止时如图所示，已知ρ杯>ρ水。则下列说法正确的是（　　） A．三个烧杯所受浮力相等 B．乙液体的密度最小 C．丙液体的密度比水小 D．三种液体的密度相等 【解析】A．由图可知，三个烧杯在水槽中排开液体的体积不同，根据阿基米德原理F浮=ρ液V排g可知，三个烧杯所受浮力不相等，故A错误； BD．由图可知，三个烧杯都是漂浮状态，因此它们受到的浮力等于烧杯和液体的总重力，乙烧杯排开水的体积最大，根据阿基米德原理可知，乙烧杯受到的浮力最大， 而三个烧杯相同，因此乙液体的重力最大，由于三种液体体积相同，根据公式G=ρVg可知，乙液体的密度最大，故BD错误； C．因丙烧杯漂浮，故有F浮=G杯+G丙 所以有F浮>G丙 即ρ水V排g>ρ丙V丙g 由图中可看出V排=V丙，所以ρ水>ρ丙，故C正确。 故选C。 知识点4 浮力的应用 1.轮船原理：如图4.4-14所示，如果把一块铁块放在水面，它将会沉入水底。如果将这块铁块铸成碗状，虽然它所受的重力没有改变，但是把它放在水面，它排开水的体积比块状时大得多，受到水的浮力就较大。当它浸入一定深度时，受到的浮力等于它所受的重力，它就会漂浮在水面上。轮船就是根据这个原理制造的。 知识点4：浮力的应用 2.密度计原理：如图4.4-15所示为浮子式密度计，利用它可以直接测出液体的密度。测量时，让密度计漂浮在液面上。液体的密度不同，密度计排开液体的体积就不同，液面对应密度计的位置也就不同。根据液面对应密度计上的刻度可以直接读出被测液体的密度。 知识点4：浮力的应用 3.潜水艇原理：潜艇是海军的主要舰种之一，它既能在水面航行，又能潜人水下某一深度进行工作。你知道潜艇在水中是怎样实现上浮和下沉的吗?潜艇的两侧有水舱，当水舱充满水时，潜艇受到的重力大于浮力，潜艇就会下沉。当用压缩空气将水舱里的水排出一部分，潜艇受到的重力小于浮力时，潜艇就会上浮，如图4.4-17所示。当水舱里留有适量的水，潜艇受到的重力等于浮力时，潜艇就能够停留在水下某一深度的地方。 知识点4：浮力的应用 4.模拟太空环境：空间站环绕地球运行时，太空环境使得航天员在太空行走时身体变得难以控制，空间知觉也会紊乱。为了使航天员能够适应太空的特殊环境，人们设计了在大型水池中对航天员进行太空行走模拟训练的方法，如图4.4-18所示。为保证航天员在水中处于悬浮状态，应使航天员自身及所携带的装备受到的浮力与总重力相等。 知识点4：浮力的应用 5.悬浮的鱼原理：鱼可以一动不动地悬浮在水中，直到感兴趣的食物出现，才立刻摆动尾巴紧跟而上。鱼的脊柱下有一个壁很薄的囊，叫作鱼鳔。鱼鳔中有从其血液里获取的氧气和氮气。鱼通过调整鱼鳔的体积，可以改变自己的总体积，从而改变所受的浮力，实现上浮或下沉。 知识点4：浮力的应用 6.热气球原理：空气中的物体同样会受到空气的浮力。如果气球中所充入的气体密度比空气小，那么气球受到空气的浮力大于自身所受的重力，气球就会在空中上升。喜庆节日放飞的气球、携带气象仪器的高空探测气球，一般充有氦气。热气球内充有被燃烧器加热后的热空气，由于空气受热膨胀，密度减小，通过调节热空气可以控制热气球的上升或下降。 知识点4：浮力的应用 7.飞艇原理：为了能控制飞行物的飞行状态和使之具有推进的动力，人们制造了飞艇。飞艇有巨大的流线型艇体，艇体的气囊内充人氦气，艇体下面安装了可供人员乘坐和装载货物的吊舱，艇体上还安装了起稳定控制作用的尾面和推进装置。飞艇造图4.4-20 飞艇价低廉、消耗燃料少，可用于交通、运输、娱乐、赈灾、气象观察、大气科学实验等。 知识点4：浮力的应用 典例分析 例1 某同学设计了如图所示的潜艇模型，下列关于该潜艇模型的说法，正确的是（　　） A．向左推注射器活塞，模型会下沉，是因为潜艇模型所受浮力变小 B．向右拉注射器活塞，模型会下沉，是因为潜艇模型所受重力变大 C．向左推注射器活塞，模型会上浮，是因为潜艇模型所受浮力变小 D．向右拉注射器活塞，模型会上浮，是因为潜艇模型所受重力变小 【解析】该潜艇模型浸没在水中时，排开水的体积不变，根据阿基米德原理，模型受到的浮力始终不变，模型是通过改变自身重力实现浮沉的。 AC．向左推注射器活塞，向试管内压入空气，会把试管中的水排出，模型总重力减小，当重力小于浮力时，模型上浮，故AC错误； BD．向右拉注射器活塞，抽出试管内的空气，水进入试管，模型总重力变大，当重力大于浮力时，模型下沉，故B正确，D错误。 故选B。 典例分析 例2 如图所示是笛卡尔创造的“浮沉子”——玻璃制的小药瓶，其下端开有小孔，水可通过小孔进出瓶体。把它放入水筒中，用薄橡皮膜把筒口蒙住并扎紧，用手按橡皮膜，可以实现药瓶的上浮、悬浮或下潜。下列说法正确的是（　　） A．药瓶上浮时，所受重力大于浮力 B．制作“浮沉子”时，大筒内可以装满水 C．在水筒密封情况下挤压橡皮膜时，药瓶会上浮 D．在水筒密封情况下挤压橡皮膜时，水会进入药瓶中 【解析】A．药瓶上浮时，由浮沉条件可知所受重力小于浮力，故A错误； B．制作“浮沉子”时，水筒内不能装满水，否则药瓶不能进水或排水，不能实现在水中的浮沉，故B错误； CD．挤压橡皮膜，筒内空气被压缩，将压强传递给水，水被压入小瓶中，将瓶体中的空气压缩，这时浮沉子里进入一些水，它的重力增加，大于它受到的浮力，药瓶会下沉，故C错误，D正确。 故选D。 典例分析 例3 在课外实践中，小科制作的孔明灯点火后无法升空。为使孔明灯放飞成功，下列措施一定不可行的是（　　） A．换用更细的铁丝制作孔明灯支架 B．检查灯罩确保接缝处密封性良好 C．将燃料块上移至灯罩顶部附近 D．选择在无风晴朗的夜晚放飞 【解析】A．孔明灯点火后无法升空，说明孔明灯受到的浮力小于自身重力，换用更细的铁丝制作孔明灯支架，可以减小孔明灯自身的总重力，使孔明灯放飞成功，故A正确，不符合题意； B．检查灯罩确保接缝处密封性良好，可以保证灯内热空气不外漏，从而使内部气体温度升高，密度小于外界空气的密度，可以使孔明灯放飞成功，故B正确，不符合题意； C．将燃料块上移至灯罩顶部附近，孔明灯内的空气不能被有效加热，孔明灯内外空气密度差小，孔明灯受到的浮力小于孔明灯自身的总重力，不能升空，故C错误，符合题意； D．选择在无风晴朗的夜晚放飞，大气压较大，空气密度较大，孔明灯受到的浮力较大，能够升空，故D正确，不符合题意。 故选C。 课堂练习 课后作业 探究新知 作业 内容 同步作业 完成课后作业：“练习与应用” 自主安排 配套同步分层作业 谢谢聆听 谢谢聆听 课堂练习 探究新知 1．如图所示，一个塑料小球堵在一个水池的出口处，水无法排出，则该小球（　　） A．不受水的浮力，也不受水对它的压力 B．受水的浮力，也受水对它的压力 C．不受水的浮力，但受水对它的压力 D．受到水的浮力，但浮力很小 【答案】C 课堂练习 探究新知 2．大多数鱼类通过鱼鳔充放气改变自身体积，实现上浮与下沉。悬浮在鱼缸中的鱼，鼓起鱼鳔上浮，最终漂浮在水面（如图）。若悬浮和漂浮时鱼均处于静止状态，不计鱼所受重力的变化，则与悬浮状态相比，鱼处于漂浮状态时，下列说法正确的是（　　） A．鱼受到的浮力变小 B．鱼受到的浮力不变 C．鱼缸内的水面降低 D．鱼缸内的水面升高 【答案】B 课堂练习 探究新知 3．2024年5月，我国第三艘航空母舰福建舰圆满完成首次试航任务，顺利返回江南造船厂码头。如图所示，福建舰满载排水量为8万余吨，搭载了自主研发的电磁弹射系统，利用强磁场对通电轨道产生的力使舰载机加速起飞。福建舰服役后大大提升了我国海军实力。下列说法正确的是（   ） A．满载排水量是满载时排开水的重力 B．福建舰在海上航行时受到的浮力大于重力 C．福建舰从长江驶入东海后，舰体相对于液面会上浮一些 D．舰载机从福建舰上起飞后，福建舰所受浮力不变，舰底受到水的压强变小 【答案】C 课堂练习 探究新知 4．密度计分为“比重计”和“比轻计”。测量密度大于水的液体时用比重计，比重计的最小刻度线是“1”；测量密度小于水的液体用比轻计，比轻计的最大刻度线是“1”。图中A、B两支密度计，一支是比重计，一支是比轻计，它们的外形完全相同，B中配重质量大于A。下列有关A、B两支密度计及刻度线“1”位置的说法正确的是（     ） A．图中密度计A上面的刻度值“a”大于刻度“b” B．密度计A是比轻计，刻度线不均匀，上密下疏 C．密度计B是比重计，刻度线“1”在密度计刻度的上端 D．将A、B两支密度计放入水中，漂浮时露出水面较长的是A 【答案】C 课堂练习 探究新知 5．当汤圆刚放入水中时会沉入锅底，而当汤圆煮熟时则会浮出水面，某同学用简化图模拟烧煮一段时间后汤圆分布图（其中A、B、C表示汤圆），则以下分析正确的是（　　） A．A汤圆与锅底接触，则A的密度一定小于水的密度 B．C汤圆浮出水面，则C汤圆的密度等于水的密度 C．B汤圆静止时，浮力大于重力 D．若此时在水中加入适量的白砂糖，则B汤圆所受浮力增大 【答案】D 课堂练习 探究新知 6．雨天，氦气球上沾了水，无法升空（如图所示），下列做法不能让气球升空的是（　　） A．继续往气球内充氦气 B．将气球上的水擦干 C．换用更厚材质的气球 D．剪短绑气球的绳子 【答案】C 课堂练习 探究新知 7．2024年8月，我国自主研制的载人飞艇AS700（图1）成功实现跨省区长途飞行。图2是它的内部结构简化图，飞艇的主气囊中填充的是氦气，这是一种密度比空气小的气体，为飞艇提供了浮力。通过风机控制副气囊中的空气进出（整个过程中气艇的总体积保持不变），来改变内部气体的密度，从而实现浮沉的控制。要使飞艇下降，风机的工作状态和此时飞艇在竖直方向上的受力情况是（　　） A．充入空气，F浮总小于G总 B．充入空气，F浮总大于G总 C．释放空气，F浮总小于G总 D．释放空气，F浮总大于G总 【答案】A 课堂练习 探究新知 8．如图所示，水平桌面上放有甲、乙、丙三个完全相同的圆柱形容器，容器内水面高度相同。若甲容器内只有水  乙容器中放入木块静止时漂浮在水面上  丙容器中有一个空心小球静止时悬浮在水中。则下列四种说法正确的是（） A．如果向乙容器中加盐水，木块静止时受到的浮力变大 B．三个容器对桌面压强一样大 C．如果将小球分成大小两块，小球仍悬浮在水中 D．丙容器中的水对容器底部压强最大 【答案】B $