浮力問題錯解例析

華峰

浮力知識是初中物理中的重要內(nèi)容，也是同學(xué)們學(xué)習(xí)物理知識中的難點(diǎn)。正因?yàn)槿绱?，同學(xué)們在解答有關(guān)浮力的問題時很容易出錯。下面就同學(xué)們?nèi)菀壮霈F(xiàn)的浮力典型錯題進(jìn)行分析，希望能夠?qū)ν瑢W(xué)們學(xué)好浮力這部分知識有所幫助。

一、考慮不周

例1.一艘輪船從河里開到海里，是下沉一些還是上浮一些？為什么？

錯解：由于海水的密度比河水的密度大，輪船在海水中受到的浮力比在河水中受到的浮力大，因此輪船在海水中比在河水中要上浮一些。

剖析：上述錯解錯在只看到了問題的一個方面，僅憑海水的密度比河水的密度大，便得出輪船在海水中受到的浮力比在河水中受到的浮力大，這是片面的。事實(shí)上物體受到的浮力大小不僅與液體的密度有關(guān)，還與物體排開液體的體積有關(guān)。輪船從河里開到海里，會導(dǎo)致上述兩個因素都發(fā)生變化，因而不能僅用阿基米德原理簡單地比較浮力的大小。

正解：在輪船從河里開到海里的過程中，它受到的重力不變，根據(jù)物體的漂浮條件易知，輪船受到的浮力等于輪船的重力，因此輪船受到的浮力不變。根據(jù)阿基米德原理F浮=ρ液V排g，由數(shù)學(xué)知識可知，當(dāng)浮力F浮一定時，V排與ρ液成反比。因?yàn)楹Ｋ拿芏却笥诤铀拿芏?，因而輪船從河里開到海里，輪船會上浮一些。

二、原理不清

例2.一潛水艇在水下潛行，它先下沉再上浮，但始終在水面下。兩種情況下潛水艇所受的浮力哪一次大？請你說出其中的道理。

錯解：潛水艇上浮時受到的浮力大。這是因?yàn)闈撍艿闹亓κ且欢ǖ?，它之所以能夠上浮，是因?yàn)樗艿降母×Υ笥谥亓?，下沉?xí)r它受到的浮力小于其重力。故此可知，潛水艇上浮時受到的浮力大。

剖析：上述錯解錯在對潛水艇浮沉的原理不理解。潛水艇的上浮與下沉是靠改變自身的重力來實(shí)現(xiàn)的，由于潛水艇的體積不變，只要它沒有浮出水面，它所受的浮力也就不變，它的重力大小是由兩側(cè)水箱的水量來調(diào)節(jié)的，這樣就可確保潛水艇既可以上浮、下沉，還可以懸浮在水中。

正解：兩種情況下潛水艇受到的浮力相同，因?yàn)閮煞N情況下潛水艇排開水的體積相同。

三、生搬硬套

例3.有一橋墩浸在河水中的體積為50 m3，則該橋墩所受的浮力為多少？

錯解：根據(jù)阿基米德原理F浮=ρ液V排g有：F浮=1.0×103 kg/m3×50 m3×9.8 N/kg=4.9×105N。

剖析：上述錯解非常普遍，究其原因是由于對浮力的實(shí)質(zhì)理解不透，生搬硬套阿基米德原理。產(chǎn)生浮力的實(shí)質(zhì)是：浸在液體中的物體受到向上和向下的壓力差。由于橋墩是打入河底的，其與河床的土壤或土壤下的巖石層是緊密接觸的，不受水向上的壓力，因而也就不受浮力。

其實(shí)由于橋墩都是下粗上細(xì)，不僅不受河水的浮力，還會受到河水對其向下的壓力，正是因?yàn)槿绱?，才使得整座橋穩(wěn)穩(wěn)地立在河面上。

正解：橋墩所受的浮力為零。

諸如此類的問題還有：（1）底部開孔的開口容器，在底孔中塞入軟木塞，然后倒入水，此時軟木塞是否受到浮力？（2）將蠟燭底部熔化安在容器的底面，然后向容器中緩慢倒入水，使得蠟燭浸在水中，此時蠟燭是否受到浮力作用？

四、分析不全

例4.一個空心銅球與一個木球質(zhì)量相等，投入水中后，則兩球所受浮力的大小關(guān)系是（ ）

A.木球受到的浮力大

B.銅球受到的浮力大

C.兩球受到的浮力相同

D.難以確定

錯解：A（或C）。

剖析：有些同學(xué)之所以會誤選A，是由于習(xí)慣地認(rèn)為木球漂浮，銅球下沉，忽視了“空”的含義。有些同學(xué)會誤選C，則是由于將空心銅球判定漂浮所致，僅憑“空”字就將銅球判定為漂浮是不準(zhǔn)確的。銅球在水中究竟是處于漂浮、懸浮還是下沉，應(yīng)根據(jù)物體的浮沉條件進(jìn)行判斷：當(dāng)ρ球>ρ水時，銅球下沉；當(dāng)ρ球=ρ水時，銅球懸浮；當(dāng)ρ球<ρ水時，銅球漂浮。由于不知道銅球的平均密度是多少，因此也就無法判定銅球在水中的浮沉情況，因而也就無法比較其所受浮力與銅球重力的關(guān)系，即無法確定兩球所受浮力的大小關(guān)系。

正解：D。

五、主觀臆斷

例5.有一邊長為10 cm的正方體鐵塊，浸沒在桶里的水中，鐵塊受到的浮力是多少？

錯解：鐵塊在水中下沉到與桶底緊密接觸，其下表面不受水向上的壓力，因而鐵塊所受的浮力為零。

剖析：題中并沒有告訴我們鐵塊與桶底緊密接觸，在客觀上也不一定是緊密接觸，因此認(rèn)為鐵塊與桶底緊密接觸純屬主觀臆斷。

正解：F浮=ρ水V排g=1.0×103 kg/m3×0.13 m3×9.8 N/kg=9.8 N。

六、亂套結(jié)論

例6.有一充氣薄壁橡皮球，自水池底上升，皮球自池底上升至露出水面之前所受浮力情況是（ ）

A.逐漸增大 B.逐漸減小

C.不變D.無法確定

錯解：C。

剖析：上述錯解的原因在于沒有從具體情況出發(fā)，亂套“物體所受的浮力與其浸沒在液體中的深度無關(guān)”這一結(jié)論。其實(shí)“物體所受的浮力與浸沒在液體的深度無關(guān)”是有條件的：一是液體密度不隨深度改變；二是排開液體的體積也不隨深度改變。而題中皮球是充氣薄壁橡皮球，其在水面下上升，其在所處的水的深度減小，由液體內(nèi)部壓強(qiáng)公式p=ρgh可知，皮球所受的壓強(qiáng)減小，皮球會膨脹，導(dǎo)致其體積增大，即V排增大，則由阿基米德原理F浮=ρ液V排g易知，皮球所受的浮力增大。

正解：A。

七、錯誤聯(lián)想

例7.當(dāng)物體浸沒在液體中的時候，它所受到的浮力與浸入的深度有關(guān)嗎？

錯解：由于液體內(nèi)部的壓強(qiáng)是隨著深度的增加而增大的，因此浮力的大小也隨著物體浸入深度的增加而增大。物體浸入液體內(nèi)部越深，所受的浮力也就越大。

剖析：上述錯解的原因在于沒有弄清楚浮力的物理意義，將前面學(xué)過的壓強(qiáng)公式p=ρgh與浮力公式F浮=ρ液gV排混淆在一起，沒有弄清楚兩個公式的區(qū)別，產(chǎn)生了錯誤的聯(lián)想。

正解：當(dāng)物體全部浸沒在水中時，它所受的浮力與物體浸沒在液體中的深度無關(guān)。這是因?yàn)榇藭r物體上、下表面所受的壓力差不變的緣故。

八、脫離實(shí)際

例8.一個體積為0.05 m3的救生圈，重為9.8 N，問它在水中能否使體重為500 N的人不致沉沒？

錯解：因?yàn)榫壬λ艿降淖畲蟾×镕浮=ρ液V排g=1.0×103 kg/m3×0.05 m3×9.8 N/kg=450 N。

救生圈所能承受向下的力為F=F浮-G圈=490 N-9.8 N=480.2 N。

因?yàn)榫壬λ艹惺芟蛳碌膲毫?80.2 N小于人的體重500 N，所以人會沉沒。

剖析：由于人在使用救生圈的時候，身體的大部分浸在水中，因此人也會受到浮力的作用，因此人作用在救生圈上的壓力要遠(yuǎn)小于480.2 N，故此人使用該救生圈時不會沉沒。