由“輪船原理”延伸的浮力問(wèn)題

陳德林 黃小英

人教版八年級(jí)物理《物體的浮沉條件及應(yīng)用》中，關(guān)于輪船原理是這樣表述的：“采用空心的辦法，增大可利用的浮力，使本身密度大于水的鋼鐵輪船能漂浮在水面上?！?根據(jù)物體的沉浮條件可知，一鐵塊放入水中會(huì)下沉，因?yàn)樽陨眢w積有限，它用整個(gè)體積排開水的重量（即受到浮力）仍然小于自身重量。為了使它能多排水，把鐵做成空心的增大外表體積，增大它排水的能力，通過(guò)增大V排使F浮增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，F(xiàn)浮>G物，從而上浮，最終使F浮=G物，實(shí)現(xiàn)漂浮。除了采用空心鐵塊的辦法增大可利用的浮力外，還能否通過(guò)別的漂浮物來(lái)排開水實(shí)現(xiàn)漂浮呢？

延伸船載物問(wèn)題。教學(xué)中，教師可以這樣做：放入水中要下沉的鐵塊，若放在漂浮的小船上，這時(shí)小船會(huì)下沉一些（多排開一些水），增大了浮力，鐵塊通過(guò)小船排開水實(shí)現(xiàn)了漂浮。一旦把鐵塊從船上卸下，放入水中，鐵塊會(huì)沉入水底，這時(shí)只是利用自身體積排開水，由輪船原理知道排開水的體積變小，因此池水水面高度會(huì)下降。若推理，我們只需比較[V]排的變化即可。

鐵塊在船上時(shí)排開水的總體積：

[V總排=F浮ρ水g=G船+G鐵ρ水g=G船ρ水g=G鐵ρ水g]①

鐵塊卸入水中沉底后，此時(shí)排開水的體積：

[V船排+V鐵=F船浮ρ水g+V鐵=G船ρ水g+G鐵ρ鐵g]②

①②式只有分母中的[ρ水]和[ρ鐵]不一樣，因?yàn)閇ρ水]<[ρ鐵]，所以①式>②式，由此知道鐵塊卸入水中，鐵塊體積小于它在船上排開水的體積，池水水面下降。

然后，教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考：若小船上放的是密度比水小的物體，如木塊卸入水中時(shí)，木塊仍然是漂浮狀態(tài)不變，水面高度將如何變化。

木塊在船上時(shí)，排開水的總體積：

[V排=F浮ρ水g=G船+G木ρ水g=G船ρ水g=G木ρ水g]③

木塊卸入水中后漂浮，此時(shí)排開水的體積：

[V船排+V木排=F船浮ρ水g+F木浮ρ水g=G船ρ水g+G木ρ鐵g]④

③④完全一樣，所以③式=④式，池水水面高度不變。

若小船上放的是密度等于水的物體。物體卸入水中后懸浮，同上，水面高度不變。學(xué)生總結(jié)：第一種情況，若小船上物體密度比水大，物體卸入水中水面高度下降;第二種情況，若小船上物體密度比水小或相等，物體卸入水中水面高度不變。

聯(lián)想冰包物問(wèn)題?！氨铩敝敢粔K冰中包含有石子、鐵塊木屑等雜質(zhì)漂浮在水面上，當(dāng)冰融化后容器水面高度的變化問(wèn)題。冰包物問(wèn)題是初中浮力中難度較大的問(wèn)題，直接讓學(xué)生理解很難，教師可以借助上面船載物問(wèn)題幫助學(xué)生理解。

水盆中的水面上漂著一塊冰，冰融化后水面如何變化？盆中水的體積不變，變化的是冰漂浮時(shí)排開水的體積V冰排和這塊冰融化成水后的體積V水，計(jì)算如下：

[V冰排=F浮ρ水g=G冰ρ水g]? [V水=m水ρ水=G水ρ水g=G冰ρ水g]

冰漂浮時(shí)排開水的體積等于融化成水后水的體積，盆中水面高度不變。

“冰包物”問(wèn)題主要有以下幾種情況：（1）水盆中的水面上漂著一塊冰，浮冰中含有一個(gè)小氣泡（其質(zhì)量可忽略），冰融化后水面如何變化？分析：小氣泡沒(méi)有重量在冰中時(shí)不多排開水，冰融化后氣泡進(jìn)入空氣中也不排開水，水面高度不變化。（2）水盆中的水面上漂著一塊冰，冰內(nèi)含有一鐵塊（代表密度大于水的一類物體），冰融化后水面如何變化？分析：漂浮的冰塊相當(dāng)船載物問(wèn)題中的船，鐵塊通過(guò)冰排開水，相當(dāng)于船載物問(wèn)題中的第一種情況，水面高度下降。（3）水盆中的水面上漂著一塊冰，冰內(nèi)含有一小木塊（代表密度小于水的一類物體），冰融化后水面如何變化？分析：漂浮的冰塊相當(dāng)于船載物問(wèn)題中的船，木塊通過(guò)冰排開水，相當(dāng)于船載物問(wèn)題中的第二種情況，水面高度不變。（4）水盆中的水面上漂浮著一塊冰，冰內(nèi)含有較多的碎木塊和砂粒（代表密度有小于水的，也有大于水的所有物體），冰融化后水面是怎樣變化的？分析：漂浮的冰塊相當(dāng)于船載物問(wèn)題中的船，木塊密度小于水，砂粒密度大于水。它們通過(guò)冰排開水，相當(dāng)于上述船載物問(wèn)題中的第一種和第二種情況的綜合，木塊使水面高度不變，砂粒使水面高度下降。綜合考慮兩者，水面高度下降。

以上問(wèn)題，涉及物體在液體中的受力分析、密度知識(shí)、阿基米德原理、物體體積與排開液體體積的關(guān)系、物體的浮沉條件以及對(duì)冰融化前后排開液體體積的變化等諸多方面的內(nèi)容。學(xué)生僅僅以浮力知識(shí)單獨(dú)分析這樣的問(wèn)題，可能很難理解，但把以上知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，就比較容易理解。

（作者單位：孝感市孝昌縣第一初級(jí)中學(xué)）

責(zé)任編輯? 張敏