如何计算浮力

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使用浮力公式

做简单的浮力实验

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参考

浮力是作用方向与重力相反的力，所有物体在水中都会受到浮力的影响。物体被放入包括液体和气体在内的流体中时，它的重量会向下推压流体，而向上的浮力则向上推动物体，抵消重力。一般而言，浮力可以使用公式F_b = V_s × D × g来进行计算，其中F_b是作用于物体的浮力，V_s是物体浸入流体的体积，D是物体浸入的流体的密度，而g是重力。要学习如何确定物体的浮力，请从步骤1开始学起。

步骤

方法 1

方法 1 的 2:

使用浮力公式

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   算出物体浸入部分的体积。作用于物体的浮力与物体浸入的体积成正比。换而言之，固体物体浸入流体的体积越大，它受到的浮力就越强。这意味着即使是沉入液体的物体，也会受到一个向上的浮力。要着手计算作用于物体的浮力，一般要先确定物体浸入流体的体积。在浮力公式中，这一数值的单位应为m³。

   • 对于完全浸入流体的物体，浸入体积等于物体本身的体积。对于漂浮在流体表面到的物体，则只考虑流体表面以下的体积。
   • 例如，假设我们想算出漂浮在水面上的皮球所受到的浮力。如果球是一个直径为1 m的完美球体，漂浮时正好有一半浸入水中，那么我们可以先计算整个皮球的体积，然后除以二，从而算出浸入部分的体积。由于球体的体积等于(4/3)π(radius)³，我们可以算出(4/3)π(0.5)³ = 0.524 m³。浸入部分的体积为0.524/2 = 0.262 m³。
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   测定流体的密度。要计算浮力，下一步我们需要测定物体浸入的流体的密度，密度值使用的单位是kg/m³。密度是单位体积的物体重量或物质重量。假设两个物体体积相同，密度较高的物体重量会更重。一般来说，物体浸入的流体密度越大，浮力就越大。对于流体而言，要测定其密度，最简单的方法是在参考资料中进行查询。

   • 本例中，皮球是在水上漂浮。翻查学习资料后，我们知道水的密度大约为1,000 kg/m³。
   • 很多参考资料都列出了许多其他常见流体的密度，例如此网站。
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   计算重力或其他的向下作用力。无论物体是沉入流体中，还是漂浮于流体表面，它都会受到重力的作用。在现实世界中，这个恒定的向下作用力约等于9.81 N/kg。但是，如果还有离心力等其他力作用于流体和浸入其中的物体，则在确定整个系统受到的“向下”力时，也应该将这些其他力纳入考虑之中。

   • 本例中，如果面对的是普通的静止系统，那么我们可以假设作用于流体和物体的向下力只有标准的重力，即9.81 N/kg。
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   用体积 × 密度 × 重力。当你知道了以m³为单位的体积值、以kg/m³为单位的流体密度值，以及以N/kg为单位的重力值或系统受到的向下力的大小后，计算浮力就很简单了。只需要将这3个数值相乘就能计算出以N为单位的浮力值。

   • 让我们将数值代入到公式F_b = V_s × D × g中，来求出问题的答案。F_b = 0.262 m³ × 1,000 kg/m³ × 9.81 N/kg = 2,570 N。计算过程中，其他单位会相互抵消，只剩下N。
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   比较物体受到的浮力和重力，看它是否会漂浮。浸入流体的物体会受到向上的推力，使之有可能浮到流体表面，使用浮力公式可以很容易地算出这种推力的大小。只需要再做一点点的额外计算，就能确定物体会浮出表面还是沉入底部。只要算出整个物体受到的浮力，即全部体积V_s浸入流体中时受到的浮力，然后使用公式G = (物体质量)(9.81 m/s²)算出向下作用的重力就可以了。如果浮力大于重力，那么物体就会漂浮。相反，如果重力较大，物体就会下沉。如果两者相等，那么物体就会呈现出所谓的“浮力平衡”状态。

   • 在水中浮力平衡的物体既不会漂浮于表面，也不会沉到底部。它会悬浮于流体的顶部和底部之间。
   • 例如，假设我们想知道重20 kg，直径为0.75 m，高度为1.25 m的圆柱形木桶是否会漂浮在水中。计算步骤如下：
     • 我们可以使用圆柱形体积公式V = π(半径)²(高)计算出木桶的体积。V = π(.375)²(1.25) = 0.55 m³。
     • 然后，假设重力和水的密度都是正常值，可以算出木桶的浮力。0.55 m³ × 1000 kg/m³ × 9.81 N/kg = 5,395.5 N。
     • 现在，我们需要算出木桶的重力。G = (20 kg)(9.81 m/s²) = 196.2 N。它远小于浮力，所以木桶会漂浮。
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   当流体为气体时，使用相同的方法。解浮力问题时需要注意，物体浸入的流体不一定是液体。气体也算作流体，尽管相比其他类型的物质，它们的密度很小，但仍然能够支撑特定物体的重量，使物体呈现出漂浮状态。氦气球就证明了这一点。由于气球中气体的密度小于周围流体的密度，也就是周围正常空气的密度，气球会在空气中漂浮！
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方法 2

方法 2 的 2:

做简单的浮力实验

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   将小碗或杯子放入较大的碗或杯子中。只要使用一些家庭用品，就能了解浮力的作用原理。在这个简单的实验中，我们会证明浸入的物体会受到浮力的作用，因为它会排开等于其浸入体积的流体。在这个过程中，我们还将通过这个实验来实际演示如何计算物体的浮力。首先，将小碗或杯子这样开放的小容器放入大碗或桶之类的较大容器中。
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   装满内部容器。然后，在内部的小容器中装满水。水平面应该与容器顶部平齐，不要有多余的水洒出来。这一步一定要小心！如果水洒了出来，就将大容器清空，然后再次尝试。

   • 就本实验而言，可以放心地假设水的密度为标准密度1000 kg/m³。除非你使用的是盐水或完全不同的其他液体，否则大部分水的密度会接近参考值，即使有点小误差，也不会影响到我们实验的结果。
   • 使用滴管有助于精确调整容器内的水平面高度。
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   将一个小物品浸入水中。然后，找一个能够放入内部容器且不溶于水的小物品。测定该物品的质量，使用kg作为单位。你可以先用秤或天平测量出物品的克重，再将之转化成千克质量。然后，在不打湿手指的情况下，缓慢、匀速地将小物品浸入水中，直至它开始漂浮，或手指几乎无法抓住它为止，然后放手。你会看到有水漫出内部容器的边缘，洒入外部容器中。

   • 就本实验而言，假设我们将质量为0.05 kg的玩具汽车放入内部容器中。如下一步所示，要计算小汽车受到的浮力，我们无需知道它的体积。
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   收集洒出的水并测量其体积。物体浸入水中时，它会排开一部分的水，否则，水中就没有任何空间来容纳该物体。物体将水排开时，水也会对物体产生反作用力，从而形成浮力。将内部容器洒出的水收集起来，倒入小量杯中。杯中水的体积就等于物体浸入的体积。

   • 换而言之，如果物体漂浮，则洒出的水的体积等于物体浸入水面以下的体积。如果物体下沉，则洒出的水的体积等于整个物体的体积。
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   计算洒出的水的重量。由于已知水的密度，且可以在量杯中测量出洒出的水的体积，所以你可以算出它的质量。将体积转化为以m³为单位的体积值，你可以使用这个或其在线转换工具，这一步中它们会非常实用。然后用体积乘以水的密度，即1,000 kg/m³。

   • 在本例中，假设玩具汽车沉入内部容器中，排开了大约两汤匙的水，也就是0.00003 m³的水。要计算水的质量，我们可以用它乘以水的密度：1,000 kg/m³ × .00003 m³ = 0.03 kg。
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   比较排开的水的质量与物体的质量。现在已知浸入水中的物体的质量，以及它排开的水的质量，比较一下，看哪一个更大。如果浸入内部容器的物体的质量大于它排开的水的质量，那么物体就会下沉。反之，如果排开的水的质量更大，那么物体就会漂浮。这就是浮力的作用原理，为了让物体浮起或漂浮，它排开的水的质量必须大于自身的质量。

   • 因此，在各类物体中，质量小但体积大的物体是最容易漂浮的。这一特性意味着中空的物体特别容易漂浮。例如独木舟，它有很大的浮力，这是因为它的内部是空的，所以在质量不大的情况下，它能排开大量的水。如果独木舟是实心的，它们的浮力就不会这么强了。
   • 在本例中，小汽车的质量为0.05 kg，大于它排开的水的质量0.03 kg。这与我们观察到的情况一致：小汽车沉了下去。
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小提示

• 使用每次读数后可以归零的秤或天平，有助于获得准确的测量结果。

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你需要准备

• 小杯子或小碗
• 大碗或桶
• 橡皮球等可以浸入水中的物体
• 量杯