当物体被放入水中时,它会把一部分水挤到一旁。水以一个向上的力回推,称为浮力,根据阿基米德原理,这个力等于被排开的水的重量。
一块实心钢排开的水很少,其重量远小于钢本身的重量,所以下沉。而船被造成一个巨大的中空船体。当它沉入海中时,会挤开极大体积的水,一旦被排开的水的重量等于船的总重,向上的浮力便与重力平衡,船就浮起来。
这就是为什么装载货物时船吃水更深,因为它必须排开更多的水来支撑额外的重量。载重线(Plimsoll 线)标出安全的界限。
在 SPM 中,你应运用阿基米德原理解释浮起以及被排开的水所起的作用。
常见误解
- 重物总是下沉、轻物总是漂浮 -> 关键在于被排开的水产生的浮力是否等于物体重量,而不只是重量。
- 船能浮是因为钢会浮 -> 钢会下沉;中空的形状排开足够的水来提供浮力。
- 浮力取决于水有多深 -> 它取决于被排开的水的重量,而非海的总深度。
背后的物理
船能浮起是因为浮力,即流体对放入其中的任何物体施加的向上的力。阿基米德原理指出:浮力等于物体所排开流体的重量。
对于密度为 ρ 的流体,浮力为 F = ρVg,其中 V 是被推开的流体体积,g 是重力场强度。当浮力与物体的重量平衡时,物体就在平衡中浮着,因此它下沉到恰好排开等于自身重量的水。
钢的密度比水大,但船并不是一块实心钢;它的船体是空心的、大部分是空气,所以它的平均密度小于水。设一艘船重 2 × 10⁶ N。
要浮起,它必须排开重 2 × 10⁶ N 的水。所需体积为 V = W/(ρg) = 2 × 10⁶ N ÷ (1000 kg m⁻³ × 9.81 m s⁻²) ≈ 204 m³。
宽阔的船体下沉,直到推开这么多水,然后就在平衡中浮着。
在日常生活中看见它
你可以在厨房水槽里验证这个想法。把一团橡皮泥丢进水里,它立刻下沉,因为它只排开自身那一点小体积的水,浮力太小。
把同一团橡皮泥压成碗形,它就浮起来,因为这个空心现在推开了多得多的水,浮力便上升到与它的重量相当。船就是那只橡皮泥碗的巨型版本。
同样的原理解释了船身侧面漆着的载重线:随着货物装上,船身吃水更深,排开更多的水,直到水线到达安全限度。同一艘船在淡水中比在密度更大的海水中浮得略低一些,因为相同体积的淡水提供的浮力较小。
当你在泳池里仰面漂浮时,你的身体正在做船所做的事:下沉到排开等于自身重量的水为止。
在 SPM 中如何出现
在试卷二中,这一内容以“说明”“解释”“计算”等指令词考查,位于压强这一章,与帕斯卡原理和液体中的压强并列。标准题目要你陈述阿基米德原理,然后解释为什么钢船能浮起,尽管钢的密度比水大,预期你从平均密度和排开的水来论证。
计算题常用浮力 F = ρVg,给出流体密度和一个体积求浮力,或求某重量浮起所需的体积,所以密度要用 kg m⁻³、体积用 m³、力用 N。你可能被要求解释浮沉原理,即浮体排开等于自身重量的流体,或说明比重计、潜水艇或载重线。
要能用密度比较在海水和淡水中的浮沉,并说明浮力之所以产生,是因为物体较深的底部所受压强大于其顶部。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)