浮力产生的原因

本实验的五种方法从各个侧面显示了浮力产生的原因。方法一是用乳胶膜的形变来显示物体下底面受到液体的压力比上底面大；方法二是说明如果物体的下表面没有受到液体的压力，则不会产生浮力；方法三进一步说明如果物体下表面受到液体的压力较上底面小，也不会产生浮力；方法四设计了一个有趣的过程来间接说明浮力产生的原因。

方法一

目的 显示产生浮力的原因是液体对物体上、下底面的压力差。

浮力产生的原因 - 图1器材 深玻璃水槽，硬质透明塑料圆筒（内径 5—8cm、长度 8cm 左右），彩色乳胶膜 2 片，乳胶管，手柄等。

操作

  1. 将塑料圆筒上下两开口端扎上彩色胶膜（先用橡皮筋箍住再用细线扎牢），两个表面膜的松紧要一样。筒壁中部开一个出气嘴，通过乳胶管

    1 和大气相通。筒壁再装一个可旋转的手柄 2，如图(a)所示。

  2. 将圆筒竖直按入水槽中，让出气嘴的乳胶管口露出液面。观察上、下表面膜受液体压力作用而发生形变的情况，可见下底面膜向内凹陷程度较大。说明下底面受到水的压力较小，如图(b)所示。

  3. 将圆筒转到水平位置，可见两边的膜凹陷程度一样，这表明水对圆筒的侧面压力相等，如图(c)所示。

方法二

目的 显示当物体的底部不受液体的压力时，液体对物体没有浮力。

器材 烧杯，自制带支架的有机玻璃隔板，玻璃管（或塑料管），自制蜡制模型块等。

蜡制模型块的制作方法

取一块石蜡，切削成直径 4—6cm，高度 2—3cm 的圆柱体，上底面平整，下底面呈凹形。下底和有机玻璃圆板接触的部分是平面，可先放在砂纸表面上磨平。

隔板和支架的制法

取 3—5mm 厚的有机玻璃制一圆板，外径与烧杯内径相配，圆板中心打一个直径为 2cm 的圆孔，另外再用氯仿固定四根支柱（如图）。在有机玻璃板边缘附近开一个小孔，插入一根细玻璃管，以便于隔板下方空气排出水面。

浮力产生的原因 - 图2

操作

  1. 将蜡块置于融板中孔的上方，用细杆抵住蜡块，将红色水倒入烧杯。取走细杆，蜡块静置在融板上，这是因为蜡块下方不受液体的压力，所以不会产生浮力。

  2. 烧杯上部的水经隔板缝隙缓慢流入下部，下部的液面逐渐升高。直到蜡块的下底面也受到了液体的压力，蜡块才开始上浮。

注意 本实验对密封要求很低，演示过程需要有一定的缝隙，让烧杯上部的水流入下部，产生浮力，使蜡块浮起。

方法三

目的 显示物体上、下表面受液体压强的大小和浮力的关系。

器材 大玻璃烧杯，自制带支架的有机玻璃隔板，玻璃管（或塑料管）2 根， 自制石蜡块等。

石蜡块的制作方法

取一石蜡块，切削成直径 4—6cm，高 5cm 的圆柱体，上下底面要平整。隔板和支架的制法

浮力产生的原因 - 图3用 3—5mm 厚的有机玻璃制一圆板，外径与烧杯内径紧配，圆板中心打一个直径 2cm 的圆孔。另外再用氯仿固定四根支柱（如图 a）。在有机玻璃边缘附近开两个小孔，插上两根玻璃管（或塑料管）。隔板与烧杯壁之间、玻璃管与隔板之间都要求密不漏水。

操作

  1. 将石蜡块置于隔板中孔的上方，用细杆抵住（使石蜡块与隔板的接触处不漏水），将红色倒入烧杯，可见到石蜡块并不浮起。说明当物体的下表面不受液体的压力时，不受到浮力。

  2. 将蓝色水从一根玻璃管中灌入，到蓝色水刚溢进玻璃管时暂停灌水。此时石蜡块下表面虽已受到蓝色水的压力，但它仍不浮起。说明当物体的下表面受到液体的压强较上表面小时，仍不受到浮力。

  3. 继续向玻璃管中灌水，灌到玻璃管中的水面与烧杯中液面高度之差Δh 等于石蜡块的高度h 时，石蜡块仍不上浮(图 b)。这是因为：(1)石蜡块本身所受的重力，(2)石蜡块下表面略小于上表面。

  4. 再向玻璃管中灌水，直到石蜡块开始上浮。此时水对石蜡下表面的压力减去水对石蜡上表面的压力已大于石蜡本向受到的重力。

注意 各部分不漏水是实验成功的关键，必要时可涂凡士林增强各部分的密封性。

方法四

器材 平底透明水槽，长方体木块，长方体石蜡块，胶管等。

操作

  1. 用粘合剂将石蜡块固定在木块表面（图a）。

  2. 将木块与石蜡放在水槽底上（石蜡块下底面与槽密切接触），用细棒抵住木块，将水注满水槽(图b)。取走细棒，不见木块与石蜡块浮起。

浮力产生的原因 - 图4

  1. 用胶管利用虹吸作用将水槽中的水往外抽。当水面下降到某一高度时，水块与石蜡块突然浮起。说明此时水对它们的浮力已大于它们受到的重力。
注意

  1. 如玻璃槽底不够平，可用一块大小适当的 5mm 平板玻璃放在槽底，在上面涂上一层石蜡，并将它和石蜡块的下底面都仔细刮平，保证两个面紧密接触。

  2. 要使实验成功，对各实验器材的大小有一定的要求（详见分析部分）。

分析 木块和石蜡块在上浮时受到三个力的作用：第一个是水对木块上表面的作用F1=ρgHS1，方向向下（式中H 表示木块上表面到水面的距离，S1 为木块上表面的面积）；第二个是水对木块下底面的作用力 F2=ρg(H+h)S2，方向向上（式中h 表示木块的高度，S2 表示木块下表面的面积减去石蜡块上表面的面积）；第三个是重力G=G 木+G 蜡，方向向下。木块和石蜡块受的向上的合外力为

ΣF=F2−F1−G=ρg(H+h)S2−ρgHS1−G

=ρghS2−ρgH(S1−S2)−G

当H＞(ρghS2−G)/[ρg(S1−S2)]时，ΣF＜0，木块和石蜡块不会上浮。当H＜(ρghS2−G)/[ρg(S1−S2)]时，ΣF＞0，木块和石蜡块将上浮。

实验中可取这样一组数据，木块大小为 8×8×8cm3，S1=0.0064m2，G 木=2.56N

（设ρ木=0.5×103kg/m3）；石蜡块大小为 4×4×3cm3，S2=0.0048m2，G 蜡=0.432N

（设ρ蜡=0.9×103kg/m3）。此时临界高度

(103 × 9.8 × 0.08 × 0.0048 − 2.99)

H0 =

103 × 9.8 × 0.0016

m = 0.049m

浮力产生的原因 - 图5建议 如有条件，可制作一个如图(d)所示的实验装置，水槽底固定一个针筒，针筒活塞上连一个木块。槽底再设一个排水阀门，用以降低水位。实验原理是类似的。