10.1浮力教学课件

浮力教学课件

10.1第一章浮力的初步认识浮力是我们日常生活中常见却又充满奇妙的物理现象在这一章节中，我们将初步认识浮力的基本概念，理解它是如何产生的，以及它在自然界中的普遍存在通过浮力的初步认识，我们将为后续更深入的学习打下坚实基础浮力的概念最早可以追溯到古希腊时期，由著名科学家阿基米德系统性地提出在现代物理学中，浮力被归类为流体力学的重要内容，是理解许多自然现象和工程应用的关键什么是浮力？浮力（）是流体（液体或气体）对浸入其中物体施加的向上的推力Buoyancy Force浮力的特点这种力使得物体在流体中会感受到一个向上的作用力，从而导致物体可能会上浮、悬浮或下沉速度减慢方向始终垂直向上浮力是一种非接触力，由流体对物体表面的压力作用产生无论物体是完全浸没还是部作用点在浮心处分浸没在流体中，只要有部分体积置于流体内，就会受到浮力的作用与流体密度成正比在物理学中，浮力被定义为流体对浸没其中的物体产生的、大小等于物体排开流体重与物体排开流体体积成正比量的向上力这一定义源自阿基米德原理，是流体静力学的基本原理之一水中浮力的直观展示上图直观地展示了浮力的作用当木块浸入水中时，会受到两个主要力的作用重力（）浮力（浮）G F方向垂直向下方向垂直向上••大小大小浮流体排开•G=m×g•F=ρ×V×g作用点物体的重心作用点物体的浮心••由地球引力产生由流体压力差产生••当浮力大于重力时（浮），木块上浮；当浮力等于重力时（浮），木块悬FG F=G浮；当浮力小于重力时（浮），木块下沉这种力的平衡关系决定了物体在流体FG中的运动状态浮力的来源流体压力特性压力差产生净力浮力的产生源于流体内部压力的一个基正是由于这种压力差的存在，流体对物本特性流体的压力随着深度的增加而体产生了一个净向上的力，这就是我们增大这一特性导致物体在流体中的不所说的浮力同部位受到不同大小的压力从微观角度看，流体分子不断地撞击浸当物体浸入流体中时入其中的物体表面，由于底部的流体分子数量和动能都大于顶部，因此底部受物体的底部位于较深处，受到较大的压到的撞击力大于顶部，最终形成向上的力净力物体的顶部位于较浅处，受到较小的压力压力与深度的关系压强公式压强梯度静水压强特点流体中的压强沿深度方向呈线性增加关系同一水平面压强相等•压强与容器形状无关每增加米深度••1其中压强在各个方向大小相等水中压强增加约•9800Pa•p-深度h处的压强空气中压强增加约•液体可以传递压强

11.3Pa液面上的压强•p₀-流体密度•ρ-重力加速度•g-深度•h-压力与深度的这种关系解释了为什么深海潜水员需要特殊装备，因为每下降米，水压就会增加约个大气压这也是深海潜水艇需要特殊设计的原101因，以抵抗巨大的水压第二章阿基米德原理阿基米德原理是理解浮力的关键，也是流体力学中最基本、最重要的原理之一这一原理由古希腊数学家、物理学家阿基米德（，公元前年公元前年）Archimedes287-212发现，至今已有多年的历史，却依然是现代流体力学的基石2200在本章中，我们将深入学习阿基米德原理的内容、历史背景、数学表达以及它与物体浮沉状态的关系通过这一章的学习，我们将能够定量地分析和计算浮力，为后续章节中浮力的应用打下坚实基础阿基米德原理内容浸在流体中的物体，受到一个竖直向上的浮力，这个浮力的大小等于物体排开流体的重量这就是著名的阿基米德原理，它精确地描述了浮力的大小及其与物体排开流体体积的关系阿基米德原理可以用数学公式表示为值得注意的是对于完全浸没的物体，排开流体的体积等于物体的体积其中对于部分浸没的物体，排开流体的体积等于物体浸没部分的体积浮力大小（牛顿，）•FB-N流体流体密度（千克立方米，）•ρ-/kg/m³浮力的大小只与排开流体的体积和流体的密度有关，与物体本身•V排开-物体排开流体的体积（立方米，m³）的质量或密度无关重力加速度（约牛顿千克，）•g-

9.8/N/kg阿基米德的尤里卡故事阿基米德原理的发现有一个著名的历史故事，这个故事不仅生动地展示了科学发现的过程，也成为了科学史上的经典轶事背景故事据传说，叙拉古国王希罗二世委托金匠制作了一顶纯金王冠然而，国王怀疑金匠偷工减料，用部分银代替了金子，便请阿基米德查证真相浴缸中的灵感一天，阿基米德在洗澡时注意到，当他进入浴缸时，水位上升，且他的身体感到轻松这一现象启发了他思考物体浸入水中时的规律尤里卡时刻阿基米德突然想通了解决国王问题的方法，兴奋地赤身裸体跑上街头，高喊尤里卡！尤里卡！（希腊语意为我找到了！）验证方法他将王冠和等重的纯金块分别放入水中，比较它们排开的水量如果王冠排开的水量多于金块，就证明王冠含有密度较小的其他金属阿基米德浴缸实验阿基米德通过浴缸实验不仅发现了浮力原理，还为我们提供了一种判断物体成分的科学方法下面我们来分析这个实验的科学原理和实施过程实验原理实验步骤阿基米德实验基于以下科学原理

1.准备一个装满水的容器，水面恰好达到容器边缘

2.将王冠浸入水中，收集溢出的水，测量其体积V

11.不同密度的物质，相同质量时占据不同体积

3.取与王冠等重的纯金，浸入水中，测量溢出水体积V

22.物体浸入水中排开的水量等于物体浸没部分的体积

4.比较V1和V2若V1V2，则王冠含有密度较小的金属

3.通过比较相同质量物体排开的水量，可以判断密度差异在现代科学中，我们可以更精确地计算若王冠质量为m，纯金密度为ρ金，王冠排水体积为V1，则王冠的平均密度ρ冠=m/V1若ρ冠ρ金，则王冠中确实掺杂了其他金属浮力与物体密度的关系密度决定浮沉物体在流体中的浮沉状态，取决于物体密度（ρ物）与流体密度（ρ流）的比较上浮条件当ρ物ρ流时浮力重力物体上浮至部分露出悬浮条件当ρ物=ρ流时浮力=重力物体在流体中静止不动下沉条件当ρ物ρ流时浮力重力物体下沉至底部对于漂浮在液面的物体，其浸没部分的体积比可以通过密度比来计算这个关系告诉我们，密度比流体小的物体会浮起，且密度越小，露出水面的部分越多这就解释了为什么冰山在海水中有约1/10的体积露出水面，因为冰的密度约为海水密度的

0.9倍第三章浮力的计算方法在前两章中，我们已经了解了浮力的基本概念和阿基米德原理现在，我们将进入浮力的定量分析阶段，学习如何精确计算物体在流体中受到的浮力浮力的计算是流体力学中的基础内容，也是解决实际工程问题的必要工具无论是设计船舶、潜艇，还是分析气象现象，都需要对浮力进行准确的计算本章将介绍浮力计算的基本方法、步骤和常见问题，并通过具体例题帮助学生掌握计算技巧我们还将讨论物体在不同状态下（完全浸没、部分浸没、不同形状）的浮力计算方法，以及考虑特殊情况（如液体分层、温度变化）时的浮力变化计算浮力的步骤基本步骤注意事项•确保单位统一（国际单位制）确定排开流体体积•密度kg/m³对于完全浸没的物体，V排开=V物体•体积m³对于部分浸没的物体，V排开=V浸没部分•重力加速度m/s²•浮力N查找流体密度•物体可能处于不同状态•完全浸没水1000kg/m³•部分浸没海水约1025kg/m³•处于两种不同流体界面空气约

1.29kg/m³（标准状态）•特殊情况考虑•流体密度可能因温度、压力变化应用阿基米德公式•不规则形状物体需计算其排开流体体积代入数值计算浮力大小在解决实际问题时，我们通常需要结合浮力和重力进行分析物体的重力G=mg=ρ物V物g，通过比较浮力FB和重力G的大小，可以判断物体的浮沉状态和运动趋势例题立方体浸没水中浮力计算题目描述解题过程一个边长为10厘米的实心铁立方体完全浸没在水中已知铁的密度为7800kg/m³，水的密步骤1计算立方体体积度为1000kg/m³，重力加速度取

9.8N/kg求

1.立方体受到的浮力大小

2.立方体在水中的视重步骤2计算浮力大小

3.保持立方体悬浮在水中需要的向上拉力步骤3计算立方体重力步骤4计算视重步骤5计算所需拉力这个例题展示了浮力计算的典型应用注意到立方体的视重（

66.64N）比其实际重力（

76.44N）小，减小的部分正是浮力（

9.8N）这种减重效应在水下作业中非常重要，能够帮助我们移动水下的重物物体在空气中的表观重量表观重量概念水中表观重量我们日常所说的物体重量，实际上是物体在空当物体浸入水中时，由于水的密度远大于空气，气中的表观重量，而非真空中的理论重量这是浮力显著增加，物体的表观重量明显减小因为物体在空气中也受到浮力作用，只是这个浮力通常较小而被忽略物体的表观重量是物体真实重力与浮力的差值这就是为什么我们在水中感觉物体变轻了利用这一现象，我们可以通过测量物体在空气中和水中的表观重量差，来计算物体的体积对于密度较大的物体，空气浮力相对其重力可以忽略不计；但对于密度小、体积大的物体（如气球），空气浮力就非常显著了这是测定不规则物体体积的有效方法在精密科学实验中，特别是涉及高精度质量测量时，必须考虑空气浮力的影响例如，在校准标准千克质量时，科学家会根据空气密度变化来修正测量结果第四章浮力的实验演示实验是理解物理概念的最佳方式之一通过亲手操作、观察现象，学生能够更直观、更深入地理解浮力原理及其应用在本章中，我们将介绍几个经典的浮力实验，这些实验简单易行，却能生动地展示浮力的基本规律这些实验不仅可以在学校实验室完成，也可以利用家庭中常见的材料在家中进行通过动手实验，学生将能够亲眼观察不同密度物体的浮沉现象•验证阿基米德原理的正确性•测量浮力的大小并与理论计算比较•探索影响浮力的各种因素•实验一不同物体在水中的沉浮实验目的实验步骤观察不同材料、不同形状物体在水中的浮沉现象，理

1.在水槽中装入约2/3的清水解密度与浮力的关系

2.依次将各种物体轻放入水中实验材料

3.观察并记录每种物体的浮沉状态

4.尝试改变某些物体的形状（如将橡皮泥捏成不同•透明水槽或大玻璃杯形状）再观察•木块（如松木、橡木等）

5.讨论并解释观察到的现象•金属块（如铁块、铝块）•塑料球（如乒乓球、塑料玩具）•橡皮泥或油泥•其他日常物品（如硬币、鸡蛋、水果等）实验观察与分析

1.木块通常会漂浮在水面上，因为木材的密度（约400-800kg/m³）小于水的密度

2.金属块会迅速沉入水底，因为金属的密度（铁约7800kg/m³，铝约2700kg/m³）大于水的密度

3.塑料球通常会漂浮，因为大多数塑料密度小于水

4.橡皮泥团会下沉，但如果将其捏成船形（中空状），则可能漂浮，这说明物体的形状可以改变其排水体积，从而影响浮沉状态实验二测量浮力大小实验目的实验材料通过测量物体在空气中和水中的表观重量差，验证阿•弹簧秤（或电子秤）基米德原理，测定浮力大小•细线或鱼线实验原理•几何形状规则的物体（如金属块、石块）•量筒或量杯根据阿基米德原理，物体浸入水中受到的浮力等于它•装水的透明容器排开水的重量物体在空气中和水中的表观重量差即•刻度尺为浮力大小实验步骤

1.用弹簧秤测量物体在空气中的重量G同时，浮力也可以通过公式计算

2.将物体用细线悬挂，完全浸入水中，测量水中重量G水中

3.计算浮力大小FB测量=G-G水中通过比较测量值和计算值，可以验证阿基米德原理的

4.测量物体的体积V（对于规则物体可用尺子测量正确性尺寸计算，对于不规则物体可用排水法测量）

5.计算理论浮力FB理论=ρ水Vg

6.比较测量值和理论值，计算误差弹簧秤测量浮力实验装置上图展示了一个典型的浮力测量实验装置这种装置简单易用，但能够准确测量浮力大小，是物理教学和实验研究中常用的方法装置组成实验数据记录表弹簧秤用于测量物体重量，精度通常为

0.01N或更高物体材空气中水中重测量浮物体体理论浮相对误支架固定弹簧秤的支撑结构质重量量G水力FB积力FB差%细线连接弹簧秤和被测物体，应尽量细以减小其影响GN中N测量Vm³理论被测物体形状规则、表面光滑的物体最佳N N水槽透明容器，盛放足够的水以完全浸没物体铁块

4.

804.

180.

620.

0000.620温度计测量水温，以便查询准确的水密度值063铜块

8.

347.

400.

940.

0000.940096铝块

2.

561.

700.

860.

0000.860088第五章浮力的实际应用浮力原理在人类社会中有着广泛而深远的应用从古代的木筏、船只，到现代的潜艇、气球，再到先进的水下机器人和海上建筑，浮力应用无处不在本章将探讨浮力在各个领域的实际应用，展示物理原理如何转化为实用技术，服务于人类社会通过了解这些应用，学生将能够认识浮力原理在现实世界中的重要性•理解科学原理如何指导工程设计•欣赏科学与技术的紧密结合•培养将物理知识应用于解决实际问题的能力•船舶如何利用浮力原理钢铁为何能浮在水上船舶设计的核心原则铁的密度约为7800kg/m³，远大于水的密度现代船舶设计遵循以下与浮力相关的原则1000kg/m³，按理说铁块应该沉入水底然排水量计算确保船舶能排开足够的水，产生而，铁制船舶却能稳稳地漂浮在水面上，这看足够的浮力抵消自重和载荷似违背常识的现象，其实正是浮力原理的绝妙稳定性设计合理配置重心与浮心位置，确保应用船舶具有足够的稳定性秘密在于船体的形状舱室划分将船体分为多个密封舱室，即使部分舱室进水，整船仍能保持浮力•船体为空心结构，内部充满空气载重线标记在船体侧面标记最大安全吃水•整体平均密度（船体+空气）小于水的密度线，防止超载导致浮力不足•船体形状使其能排开足够多的水船舶设计需要精确的浮力计算，以确保安全性和经济性的平衡现代计算机辅助设计技术使这一过程更加精确和高效潜艇的浮沉控制潜艇的浮沉原理压载舱系统潜艇是人类工程技术的杰作，它能够在水面航潜艇的核心部件是压载舱（Ballast Tank）系行，也能潜入水中，关键在于其能够主动控制自统身的浮力•主压载舱控制潜艇的上浮和下潜潜艇的浮沉控制基于以下原理•调节压载舱精细控制潜艇的深度改变潜艇的总体积不变，但调整平均密度•补偿压载舱补偿鱼雷发射等导致的重量变化当平均密度小于水密度时，潜艇上浮当平均密度等于水密度时，潜艇保持当前深度当潜艇需要下潜时，打开压载舱阀门，让海水进入，增加总重量；当需要上浮时，用压缩空气将压载舱中的水排出，减轻总重量当平均密度大于水密度时，潜艇下沉除了压载舱系统，潜艇还利用水平舵产生动力学升力，辅助控制深度现代潜艇的深度控制非常精确，能够在几百米的深度保持稳定这种精确控制依赖于先进的传感器和计算机系统，不断测量水压、温度、盐度等参数，精确计算浮力变化，并通过自动控制系统调整压载舱水量第六章浮力的稳定性与平衡物体在流体中的浮沉状态不仅取决于浮力和重力的大小关系，还取决于这两个力的作用点和方向在本章中，我们将深入探讨浮力的稳定性问题，理解为什么有些物体能稳定地漂浮在水面上，而有些看似漂浮的物体却会翻转浮力稳定性是船舶、飞机、潜艇等设计中的核心问题，直接关系到这些交通工具的安全性通过学习浮力稳定性，我们将能够理解重心与浮心的概念及其对稳定性的影响•分析不同形状物体的稳定性特征•掌握提高漂浮物体稳定性的方法•认识动态流体中浮力方向的变化•浮体的稳定性重心与浮心理解浮体稳定性，首先需要明确两个关键概念重心（G）物体重力的作用点，由物体质量分布决定浮心（B）浮力的作用点，是物体排开流体部分的几何中心重心位置取决于物体本身，而浮心位置则随着物体在流体中的位置和姿态变化而变化稳定平衡中性平衡不稳定平衡当浮体受到小扰动后，会自动回到原来位置当浮体受到小扰动后，保持新的位置不变当浮体受到小扰动后，偏离原位置越来越远特征重心G在浮心B的下方，或偏离时产生使物特征重心G与浮心B重合，或偏离时不产生额外特征重心G在浮心B的上方，偏离时产生使物体体回正的力矩力矩继续偏离的力矩例如救生圈、稳定的船舶例如水中均匀球体例如倒置的船体船舶设计中，通过合理配置重量（如在底部增加压载物）使重心下移，以及设计宽阔的船体使浮心上移，来提高稳定性这就是为什么大型船舶底部常有压载水舱，以及为什么小船太窄容易翻的原因迎角与浮力方向动态流体中的浮力迎角的影响在静止流体中，浮力方向总是垂直向上的但在运动迎角是指物体运动方向与其参考线之间的夹角在航的流体中，或物体相对流体运动时，情况会变得复空学中，是指机翼弦线与相对气流方向的夹角杂迎角对动态升力的影响物体在运动流体中会受到三个主要力•增大迎角（在一定范围内）会增加升力重力垂直向下•过大的迎角会导致流体分离，产生失速现象静态浮力垂直向上，由排开流体产生•迎角变化可以控制升力方向和大小动态升力由流体动力学效应产生，方向取决于物体这一原理被广泛应用于形状和迎角•飞机的俯仰控制静态浮力和动态升力共同构成了物体在流体中受到的总浮力•潜艇的深度控制•船舶的水动力学设计•水下滑翔机的运动控制流体动力学带来的动态浮力效应极大地丰富了浮力的应用例如，高速船舶通过水翼产生动态升力，使船体部分脱离水面，减小阻力；潜艇通过调整水平舵角度产生动态升力，辅助深度控制；飞机则完全依靠动态升力实现飞行第七章综合练习与思考题通过前六章的学习，我们已经系统地了解了浮力的基本概念、阿基米德原理、浮力计算方法、实验演示、实际应用以及稳定性分析为了巩固所学知识，本章提供一系列综合练习和思考题，帮助学生检验对浮力基本概念的理解•提高运用浮力原理解决实际问题的能力•培养分析复杂浮力问题的思维方法•激发对浮力相关科学现象的思考和探索•这些练习题涵盖了不同难度和类型，从基础的浮力计算到需要综合分析的开放性问题学生可以根据自己的水平选择适合的题目进行练习，也可以在小组中讨论解决方法，共同提高练习题示例基础计算题综合分析题一个体积为的实心铝块浸没在水中，求其受到的浮力大小一个容器中装有不互溶的水和油（密度），水深，

1.500cm³

1.

0.8g/cm³20cm（铝密度，水密度）油层厚度一个密度为的小球放入该容器中，最终

2.7g/cm³

1.0g/cm³10cm

0.9g/cm³平衡位置在哪里？一个质量为的木块漂浮在水面上，露出水面的体积是木块总体

2.200g积的求木块的密度一艘船从淡水湖驶入海水中（密度），船的吃水深度如25%

2.

1.03g/cm³何变化？为什么？一个边长为的立方体，密度为，漂浮在水中求露

3.10cm

0.8g/cm³出水面的高度一个空心铜球浸没在水中处于平衡状态若水温升高，球体积略微

3.膨胀，密度略微减小，水的密度也减小，请分析球的运动趋势中等难度题开放性问题一个密度为的金属球，质量为，用细线悬挂在水中

1.

8.0g/cm³50g求细线的拉力为什么有些鱼能在水中调节自己的浮沉？它们使用了什么机制？

1.

2.一个圆柱形浮标，底面积为200cm²，高60cm，质量为9kg该浮

2.潜水员在深海作业时，为什么需要特殊的呼吸气体混合物而不是纯标漂浮在水中，求其露出水面的高度氧气？这与浮力有什么关系？思考题为什么铁船能浮在水面？如何设计一个能承载更多重量的船？这是一个经典的浮力思考题，看似简单却蕴含深刻的物理原理这是一个开放性的工程设计问题，需要综合运用浮力原理和工程设计思维思考方向设计考虑因素

1.铁的密度（约7800kg/m³）远大于水的密度（1000kg/m³），按理说铁块应该下沉最大化排水量增加船体尺寸和浸没深度，产生更铁船之所以能浮起来，关键在于其形状和结构大浮力船体是空心的，内部充满空气，使得整体的平均密优化船体形状设计合理的船体轮廓，在保证稳定度小于水性的同时最大化载重

4.根据阿基米德原理，只要船排开的水的重量大材料选择使用强度高、重量轻的材料建造船体于船自身的重量，船就能浮起来

5.船体形状设计成能够排开足够多的水，产生足重量分布合理安排货物和压载物位置，保持船体够的浮力平衡安全余量为不同航行条件（如风浪、货物移动）这个问题启示我们物体在流体中的浮沉不仅取决预留足够安全余量于材料密度，还与结构设计密切相关现代大型货轮能够承载数万吨货物，正是浮力原理和先进工程技术相结合的成果结语浮力的奇妙世界通过本课件的学习，我们已经完成了对浮力这一物理概念的全面探索从基本原理到实际应用，从理论分析到实验验证，我们看到了浮力在自然界和人类社会中的广泛存在和重要作用浮力原理看似简单，却能解释众多自然现象鱼儿在水中游弋，云朵在天空漂浮，冰山在海上飘荡同时，人类也巧妙地利用浮力原理，创造了船舶、潜艇、气球等改变世界的发明浮力研究还远未结束在微观尺度上，纳米材料与流体的相互作用；在宏观尺度上，行星大气层中的浮力效应；在工程领域，更高效、更安全的浮力应用，都是值得探索的方向希望通过本课件的学习，同学们不仅掌握了浮力的基本知识，更培养了科学思维方法，激发了对物理世界的好奇心和探索精神物理学的美妙之处在于它能用简洁的原理解释复杂的现象，而浮力正是这种美妙的绝佳例证。