浮浮沉沉——水浮力的观察日志

中通 赵子川
创建于2023-09-18
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2023    年暑期,我穿行在书本的海洋中,时而漂浮在平静的海面上,书本幻化成一叶扁舟,聆听海燕的窃窃私语;时而搏击在汹涌的波涛上,书本堆积成一方冲浪板,耳畔萦绕着海鸥的阵阵掌声;时而浸没在这抹深蓝中,书本如救生衣包裹在身体周围,一股无形的力量将我托举出水面    ......    徜徉其中,其乐无穷,其味也无穷。

一、从曹冲称象说开去

当我的“书船儿”行进河北省临漳县岗村一带,远远望见一个玲珑少年让人将一头大象牵到一艘大船上,等船身稳定了,在船舷上对齐水面的地方,刻了一条道道。再叫人把象牵到岸上来,把大大小小的石头,一块一块地往船上装,船身就一点儿一点儿往下沉。等船身沉到刚才刻的那条道道和水面一样齐时,就叫停装石头,并开始把船里的石头逐一称重。“把船上石头的重量全部加起来就是大象的重量了”少年高声说道。这少年就是三国时期的曹冲,曹操的儿子。实际上,曹冲称象用的是等量替换法,用许多石头代替大象,在船舷上刻画记号,让大象与石头产生等量的效果,再一次一次称出石头的重量,使“大”转化为“小”,分而治之,最终就能得到大象的重量了。

我怀着好奇的心理决定通过实验对“称    象    ”的情况进行情景模拟:

为何会发生这种情况呢?通过查阅资料,得到了一个词:浮力,就是浸在流体内的物体受到流体竖直向上的作用力。曹冲称象用的就是这个沉浮原理,当大象在的船处于平衡时,以大象为研究对象,大象的重力等于大象所受的浮力,同理石头所在的船平衡时,石头的重力等于石头所受的浮力,因为水位线是一样的证明大象与石头对船的压力是一样的,从而推出大象与石头的重力一样,根据重力    =    质量    *    重力加速度,即    G=mg    ,当重力(    G    )一样时,而在地球表面附近,重力加速度(    g    )约为    9.8N/kg    ,因此,大象与石头的质量相同。

我怀着搞点小破坏的心理,尝试往“河里”注入水流,看看是否会导致实验结果的偏差。抱着疑问,同样进行一次实验模拟过程:

仿佛水对船的浮力跟船的重力之间有某种密不可分的联系,只要重力保持不变,浮力似乎也能保持不变,难道它们之间是成正比的关系?    疑问是探索科学知识有效的动力之一

二、看阿基米德洗澡

说到浮力,我们很自然的想到阿基米德的一个小故事,公元前    245    年,古希腊赫农王给金匠一块金子让他做一顶纯金的皇冠。做好的皇冠尽管与先前的金子一样重,但国王还是怀疑金匠掺假了。于是就命令阿基米德来鉴定一下皇冠的真伪。阿基米德需要鉴定皇冠是不是纯金的,但是不允许破坏皇冠。这似乎是件不可能的事情。阿基米德冥思苦想了好几天,不得其解。有一天,阿基米德去洗澡,由于澡盆里的水太满,他一进澡盆,水就向外溢,而且感到水对身体有托力。他用身体沉浮多次来体验浮力的大小,领悟到身体排开的水越多,浮力就越大。

于是,他立刻跳出浴盆,忘了穿衣服,一丝不挂地就跑到大街上,顺着大街往皇宫跑。一边跑,一边叫:“我想出来了!我想出来了!解决皇冠的办法找到啦!”他进皇宫后,对国王说:“请允许我先做一个实验,才能把结果报告给你!”国王同意了。         阿基米德将与皇冠一样重的金子、和一块一样重的银子和皇冠,分别放入水盆里,观察发现:金块排出的水量比银块排出的水量少,而皇冠排出的水量比金块排出的水量多。于是阿基米德对国王说:“皇冠掺了假”。

故事是个有趣的故事,可阿基米德开始琢磨这个现象背后的原理。他发现,当物体浮在水中的时候,它受到了一个向上的推力,这个推力叫做浮力。我拿出我的实验百宝箱,从里面搜寻出一些器材,开始我的“阿基米德洗澡”过程。

通过测力计、盛液筒、重物、溢水杯一顿鼓捣,进行一番实验:

这样就很好回答了重力与浮力的关系,即物体所受的浮力等于物体处于稳定状态下所排开液体的重力。

阿基米德就发现的浮力原理,浮力的定义式为    F    浮    =G    排(即物体所受的浮力等于物体处于稳定状态下所排开液体的重力)。当然,阿基米德不会满足于此,通过观察与推导,确定浮力的大小与物体在水中的体积有关,而与物体的质量无关。因此,如果我们知道物体在水中的体积,就可以算出它在水中受到的浮力大小。计算可用它的推导公式    F    浮    =G    排    =    ρ液    gV    排(ρ液为液体的密度,单位为    kg/m    ³;    g    为常数,是重力与质量的比值,重力加速度,取    g=9.8N/kg    ;    V    排表示排开液体的体积,单位为    m    ³)。

    从浮力的公式,知道了浮力的大小与液体的密度有关,那到底密度不同的液体在浮力的实验中又会有什么神奇的现象发生呢?    实践是探索科学知识有效的途径之一    。

三、神秘的死海

死海位于以色列、巴勒斯坦和约旦之间的大裂谷约旦裂谷,南北长    86公里    ,东西宽5到    16公里    不等,最深处为    380.29米    。死海的湖岸是地球上已露出陆地的最低点,有“世界的肚脐”之称。远远望去,死海形似一条双尾鱼。在阳光的照射下,海面像一面古老的铜镜。死海中含有高浓度的盐分,为一般海水的8.6倍,致使水中没有生物存活,甚至连死海沿岸的陆地上也很少有除水草外生物。这也是人们给它起名叫死海的原因之一。

由于死海含盐量极高,人进入死海,都会被海水的浮力托住,这是因为死海中的水的比重是    1.17~1.227    ,而人体的比重只有    1.02~1.097    ,水的比重超过了人体的比重,所以人就不会沉下去。

没有办法到死海体验,可以通过实验方式模拟一下:

盐、乒乓球、鸡蛋、水来进行鼓捣鼓捣。

首先,在自来水中,鸡蛋处于沉没状态。

拿出称,逐步对加入的盐进行称重,慢慢加并搅拌,直到让鸡蛋浮起来为止。

最终在60ml的水中加入    10.6g    的盐后,进行充分搅拌后,鸡蛋轻松地浮出水面。一激动拿水杯的手差点把鸡蛋倒出去,哈哈哈哈哈。

有了结果,继续试验就有了兴趣,我想着用不同的液体来进行鸡蛋沉浮实验。接下来看我得好好想想用哪些液体来进行实验,接来搜寻了好几天的资料    ......

四、不同液体的鸡蛋沉浮状态

行进在黄河壶口瀑布的途中,听着那瀑布如雷般的轰鸣声,万马奔腾,看着湛蓝的天空渐渐被河水染成黄色,面朝黄土背朝天。站在壶口的栏杆边,水汽往脸上阵阵飘来,终于在去观看黄河壶口瀑布的机会,我取到了母亲河的水。

鸡蛋在黄河水中,自然也是安静地待在母亲河的水底。看过去,好像一个幼小的生命孕育在母亲的怀里。

称盐,一样的步骤;加盐,一样的配方;搅拌,一样的动作;浮起来,欢呼随之而来。

在60ml的黄河水中加入    8g    的盐后,进行充分搅拌后,鸡蛋终于浮出水面。仿佛一个新生命在母亲河畔呱呱坠地,我想这正是实验的乐趣,也激发我继续实验的灵感。

翻箱倒柜也没有在家里找到适合做实验的液体,有一种乘兴而来,败兴而归的感觉涌上心头。次日,匆匆赶往超市选择了    3    种饮料,回家开启新一轮的探索。

所谓依样画葫芦,我急忙按照上面的步骤,加盐,搅拌,放鸡蛋。

当鸡蛋浮起来时,一顿记录,在60ml的美年达中加入    6.2g    的盐。正想着换另外饮料时,突然觉得哪里不对,之前几次好像是盐都是慢慢加,逐步搅拌,来回几次才使得鸡蛋浮起来,这次居然这么顺利,一次加盐就成功?科学老师教导我们为确保结果的准确性要多次试验实践。我决定从头开始,直接倒入美年达,不放盐,试试情况,鸡蛋居然也能浮起来:

那么可乐与加多宝中,鸡蛋的浮沉状态如何?毫无意外,鸡蛋都能漂浮在上面。

尝试通过图表进行分析,先从不同液体加盐多少能让鸡蛋浮起来来看。

根据    F    浮    =G    排    =    ρ液    gV    排,很清楚就能知道自来水的密度是最小的,而且想让物体能在其中漂浮,就需要加大密度,自然就需要加入更多的盐。

五、浮力在现实中的应用

浮力在现实中应用十分广泛,首先跳入脑海中的,必然是轮船。    浮力可以用于船只的浮行。船只需要浮力来支撑,从而使船只可以在水面上浮行。船只的大小和重量决定了所需要的浮力大小,浮力可以通过货物或者水分来调节。

最后通过一个小实验来为这一轮的液体中浮沉做个好玩的东西,也算对整个实验观察的总结。

一个可以在水面上行驶的“玩具船”,由于还未想好如何安装遥控设备,无法在真实的河面上航行,只能勉强在脸盆中“扑腾”几下。希望接下来能够找到遥控装置,能在河面上秀一秀,作为一个困难点留给下个阶段吧。

这个“玩具船”安装很简便,四个漂浮球作为浮力担当,直接插在转动轴上就可以,一个发动机通过电池发动,用一根橡皮筋带动转动轴,再有转动轴转动四个漂浮球,“玩具船”就能行驶起来    。

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