Physic Labs

流体力学

阿基米德浮力与浮沉

比较重力与阿基米德浮力 F_A = ρ_water g V_submerged,判断漂浮、悬浮和下沉条件。 测量浮力和排开流体的体积,检验 FA=ρfluidgVdisplacedF_A = ρ_{fluid}gV_{displaced}.

初中

⚠ 水槽为虚拟内容;真实实验时请让电器远离水。

器材

  • 带固体物体和力矢量的虚拟水槽
  • 物体密度 ρ_object 与体积 V 滑块及材料预设

实验步骤

  1. 从漂浮调到下沉

    先将 ρ_物体设为低于水的 1000 kg/m³,再拖动密度滑块跨过 1000 kg/m³。观察浸没比例以及重力 P、浮力 F_A 和物体触底时支持力 N 的矢量。改变 V,查看力的大小随之变化;浮沉条件则取决于相对密度。材料按钮仅用于快速设定相应密度。 将观察到的量与下式比较: FA=ρfluidgVdisplacedF_A = ρ_{fluid}gV_{displaced}.

  2. 比较浮力与重力

    用当前选择的 ρ 和 V 计算排开流体的重量。将屏幕上的浮力矢量与公式 FA=ρfluidgVsubmergedF_A = \rho_{fluid}gV_{submerged} 比较,检验漂浮物体的浮力与重力平衡。

  3. 改变浸没体积

    保持相对密度不变并改变 V,观察浮力和浸没比例。比较读数并解释:体积改变力的大小,而漂浮、悬浮或下沉取决于密度关系与合力。 将观察到的量与下式比较: FA=ρfluidgVdisplacedF_A = ρ_{fluid}gV_{displaced}.

模拟

实验历史

叙拉古的阿基米德(约公元前287—前212年)研究数学、力学和静水学。关于他的故事经由数百年后的古代作者流传,因此著名的“尤里卡”逸事不能当作同时代记录。现存著作《论浮体》是古代奠定流体中物体平衡数学基础的重要作品之一。 阿基米德原理指出,部分或全部浸入流体的物体受到向上的浮力,其大小等于物体排开的流体重量。因此浮力取决于浸没体积和流体密度,而平衡状态由浮力与物体重量的比较决定。现代公式是这一经典结论在静水学中的表达。这一原理后来成为解释船舶浮力和测定物质密度的重要工具,强调浮沉不仅取决于物体本身,也取决于周围流体。把它应用到实验时,应准确区分物体总体积、浸没体积和排开流体的体积;这些量只有在物体完全浸没等特殊情况下才相等。 浮力可从静水压强随深度增加来理解:物体底部受到的向上压力大于顶部向下压力,差值等于排开流体的重量。这个结果连接了几何体积测量与流体静力学,也解释了物体为何漂浮或下沉;模型假定流体静止且密度均匀。

相关物理学家

相关知识库主题