【正文】 第九章壓強(qiáng)和浮力 知識梳理 1．壓強(qiáng) 垂直作用于物體表面的力叫做壓力．壓力屬于 彈力．壓力的作用效果主要表現(xiàn)為使物體發(fā)生形變． 壓力的方向垂直于受力物體的表面并指向物體 的內(nèi)部． 說明： ： 壓力與重力的區(qū)別 聯(lián) 系 壓 力 重 力 當(dāng)物體靜止放臵在水平支撐面上時，壓力的大小等于物體重力的大小．例如，人站在水平地面上時，人對地面的壓力F=G． 力的性質(zhì) 相互擠壓而產(chǎn)生的彈力 地球的吸引而產(chǎn)生的場力 力的方向 垂直于受力面 豎直向下 力的作用點(diǎn) 在接觸的物體表面 等效為在物體的重心上 施力物體 放支承的物體 地球 有些壓力是由重力引起的，有些壓力與重力無 關(guān)．即使是由重力引起的壓力，其大小也不一定就等于重力，如靜止在斜面上的物體，對斜面施加的壓力是由物體的重力引起的，但壓力小于重力． b．固體能沿著壓力的方向大小不變地傳遞壓 力． a．物理意義：壓強(qiáng)是表示壓力作用效果強(qiáng)弱的 物理量． b．定義：物體單位面積上受到的壓力叫做壓強(qiáng)． c．定義式和決定式： SFP? ． 式中 P表示壓強(qiáng)， F 表示壓力， S 表示受力面積． 說明：受力面積是 指受壓力作用的物體與施加壓力的物體相互接觸并相互擠壓的那部分面積，受力面積不一定等于施加壓力的物體的底面積，如一塊磚平放在桌面上，只有 2/3 的底面積與桌面接觸，這時的受力面積是磚的底面積的 2/3，而不是整個底面積． d．單位 在 S1中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，簡稱帕，符號是 1Pa=1N／ m2． 一張報紙平攤在桌面上時對桌面的壓強(qiáng)約為 Pa，一粒西瓜籽平放在桌面上時對桌面的壓強(qiáng)約 為 20Pa；一塊 磚平放在地面上時對地面的壓強(qiáng)約為 103Pa；一個人站立在地面上時對地面的壓強(qiáng)約為 104Pa. 推導(dǎo)式： i．靜放在水平面上的柱體，當(dāng)水平面 的受壓面積與柱體的底面積相等時，柱體對水平面的壓強(qiáng) ghP ?? ． 式中 P表示壓強(qiáng)，單位是 Pa； P表示柱體的密 度，單位是 kg／ m3； g= N／ kg； h表示柱體的高度， 單位是 m ii．若受壓面積不變，當(dāng)壓力改變 △F 時，壓強(qiáng)． △ P=△ F/S. 為將某一物體順利地壓入另一物體中 ，就需要 增大另一物體受到的壓強(qiáng)．任何物體所能承受的壓強(qiáng)都有一定的限度，若超過了這個限度，物體就會被壓壞，為防止物體被壓壞，就 需要設(shè)法減小物體受到的壓強(qiáng)． a．增大壓強(qiáng)的方法 i．增大壓力．如：壓路機(jī)上碾子的質(zhì)量很大． ii．減小受力面積．如：短道速滑運(yùn)動員的冰鞋 上裝有冰刀；刀刃要磨得很鋒利；圖釘?shù)囊欢俗龅煤芗獾龋? iii．增大壓力的同時減小受力面積 ．如：投擲飛標(biāo)． b．減小壓強(qiáng)的方法 i．減小壓力．如：貨車要限載． ii．增大受力面積．如：滑雪運(yùn)動員腳上穿滑雪 板；推土機(jī)有寬大的履 帶；鐵軌鋪在枕木上；房屋建在地基上；書包帶做得較寬等． iii．減小壓力的同時增大受力面積．如：紅軍過 沼澤地時，丟掉一些裝備并利用較寬的木板． 2．液體的壓強(qiáng) 因?yàn)橐后w受到重力的作用且具有流動性，所以 液體對支撐它的容器底部和阻礙它散開的容器側(cè)壁部有壓強(qiáng)，液體內(nèi)部向各個方向都有壓強(qiáng)． B．影響液體內(nèi)部壓 強(qiáng)大小的因素 液體內(nèi)部的壓強(qiáng)只與液體的密度和深度有關(guān)， 與液體的形狀、質(zhì)量、重力等因素?zé)o關(guān)．同種液體內(nèi)部在同一深度向各個方向的壓強(qiáng)相等；同種液體內(nèi)部，深度越大， 壓強(qiáng)越大；在不同液體的同一深度處，液體的密度越大，壓強(qiáng)越大． 說明： 深度是指從自由液面到某點(diǎn)的豎直距離．如下 圖中 A點(diǎn)的 深度 h 應(yīng)如圖所示． b．液體內(nèi)部壓強(qiáng)的公式 從液面向下取一個豎直的小液柱 (這是一個物 理模型 )，利用 SFP? 知識，可推導(dǎo)出液體內(nèi)部的 壓強(qiáng)公式： ． ghP 液?? .式中各個物理量的配套單位是： PPa； ρkg／ m3； gN／kg； h— m. c．液體內(nèi)部壓強(qiáng)知識的應(yīng)用 示例 ① 大型儲油罐不能做得太高，而是做得粗一些； ② 建攔河壩時，必須把壩做成下寬上窄的形狀； ③ 潛水員潛水時，必須穿上強(qiáng)度大耐高壓的潛 水服； ④ 潛水艇必須用強(qiáng)度大耐高壓的金屬做外殼； ⑤ 護(hù)士給病人輸液時，常將鹽水瓶吊高一些，使 鹽水順利地進(jìn)入病人體內(nèi)． 3．氣體的壓強(qiáng) 地球被厚厚的大氣層包圍著，大氣對浸在它里 面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫做大氣壓強(qiáng)，簡稱大氣壓． 由于大氣受到重力的作用且具有流動性，所以 大氣內(nèi)任何一處向各個方向都有壓強(qiáng) ． 馬德堡半球?qū)嶒?yàn)有力地證明了大氣壓的存在． 大氣壓既可據(jù)壓強(qiáng)普遍適用的公式SFP?設(shè)計 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量，也可據(jù)液體內(nèi)部壓強(qiáng)的公式 ghP ?? 設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量，如托里拆利實(shí)驗(yàn)． 說明： ① 托里拆利設(shè)計的測大氣壓的實(shí)驗(yàn)，巧妙 地將難測的大氣壓等值轉(zhuǎn)換為易測的液體壓強(qiáng)，其原理是二力平衡．在與槽內(nèi)水銀面齊平的管中取一個水平的小液片 (這是一個物理模型 )，其受到的向 上的大氣壓力與向下的水銀壓力二力平衡，結(jié)合 F=pS 可知：大氣壓P=P 液 =ρgh，這是一種等效 法． ② 由于水銀有毒，所以現(xiàn)在在課堂上一般不做 托里拆利實(shí)驗(yàn)，若用其他液體來代替水銀，則所需的托里拆利管較長，操作不方便． 由于大氣壓的值不是固定不變的，通常把 76 cm 高的水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)稱為 l個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 (1 atm)． 1 atm=76 cm高水銀柱 = l05Pa D．大氣壓的變化 ． 由于大氣壓是因?yàn)榇髿馐艿街亓Φ淖饔枚a(chǎn)生 的，而大氣密度不均勻，所以大氣壓隨高度的增加而減小是不均勻的．在海拔 2 km的范圍內(nèi)，可以近似 地認(rèn)為高度每增加 l2 m，大氣壓下降 l mmHg(即 133 Pa) b．大氣壓隨天氣變化 隨著天氣變化空氣中水蒸氣的含量不同，使空 氣的密度發(fā)生變化，一般地說，空氣干燥時，水蒸氣含量較少，空氣的密度較大，氣壓較高．因此，晴天比陰雨天的氣壓高，冬天比夏天的氣壓高． E．氣壓計 測量大氣壓的儀器叫氣壓計，通常有水銀壓計 和金屬盒氣壓計，水銀氣壓計是根據(jù)托里拆利實(shí)驗(yàn)制成的，它測量的結(jié)果比較準(zhǔn)確，但攜帶不便，常用于氣象站． 金屬盒氣壓計 (如圖所示 )主要部分是一個圓弧 形波紋金屬盒，盒內(nèi)空氣已被抽出，為使金屬盒不被大氣壓壓扁，盒蓋用彈性鋼片向外拉著，氣壓改變時，波紋盒的厚度發(fā)生變化，使得固定在盒面上的連桿通過傳動機(jī)構(gòu)帶動指針偏轉(zhuǎn)，指示出氣壓的大小，氧氣瓶上所用的壓力表，就是一種無液氣壓計． 金屬盒氣壓計充分運(yùn)用了轉(zhuǎn)換觀察法和放 大法． 金屬盒氣壓計也可以制成高度計，因?yàn)榇髿鈮?隨高度的增加而減小，一定的高度通常有對應(yīng)的大氣壓值，因此把金屬盒氣壓計刻度盤上的氣壓值換成對應(yīng)的高度值，這就成了高度計． F．液體的沸 點(diǎn)與液面上氣壓的關(guān)系及其應(yīng)用 液體的沸點(diǎn)隨液面上氣壓的增大而升高，隨液 面上氣壓的減小而降低． b．應(yīng)用 現(xiàn)代家庭普遍使用的高壓鍋，鍋內(nèi)氣壓能達(dá)到 2atm，水的沸點(diǎn)能升到 l20℃ 使食物更易煮熟．工業(yè) 上要提純酒精或熬蔗糖，由于它們的沸點(diǎn)低于水的沸點(diǎn)，所以要用低壓鍋． 高壓鍋和低壓鍋的制作原理基本一樣，都是利 用密閉的鍋蓋，控制鍋內(nèi)的氣壓，進(jìn)而控制液體的沸點(diǎn)．如圖所示，高壓鍋上有出氣孔，出氣孔上有安全閥，當(dāng)鍋內(nèi)氣壓超過一定限度時，安全閥被頂起來，從出氣孔中排出部分氣體 ，使鍋內(nèi)氣壓降到安全范圍內(nèi)．低壓鍋則不斷向外抽氣，使鍋內(nèi)氣壓保持在允許約范圍內(nèi)． 氣體和液體都具有流動性，統(tǒng)稱為流體． 在流體中流速越大的地方壓強(qiáng)越小，流速越小 的地方壓強(qiáng)越大． b．應(yīng)用 ① 如圖 (a)所示，由于機(jī)翼上凸下凹的特殊造 型，當(dāng)一股氣流沿著機(jī)翼流過時，機(jī)翼上方通過的氣流流速比機(jī)翼下方通過氣流速大些，于是機(jī)翼上方所受氣流的壓強(qiáng)小于下方所受的壓強(qiáng)，以致向上的壓力大于向下的壓力，就形成了機(jī)翼的升力． ② 如圖 (b)所 示，水翼船的下部也有類似飛機(jī)機(jī) 翼的水翼，船在高速航行時，浸在水中的水翼便會獲得升力，減小船體與水的接觸面，從而減小水對船體的阻力，提高航速． ③ 如圖 (c)所示，有的跑車的尾部設(shè)計安裝了一 種“氣壓偏導(dǎo)器”，它的上表面平直，底部凸弧形凸起，相當(dāng)于一個倒臵的翅膀，跑車在高速行駛時，“氣流偏導(dǎo)器”上方氣流的速度小于下方氣流的速度，上方受到的氣壓大于下方受到的氣壓，使跑車獲得向下的空氣壓力的合力，這樣跑車對地面的壓力增大，跑車受到地面的摩擦力增大．跑車易于控制、不易翻車． ④ 打乒乓球和踢 足球中的弧線球，是靠球兩側(cè) 的空氣流速不同產(chǎn)生壓強(qiáng)差而使球在空中做曲線運(yùn)動的． ⑤ 火車站月臺上有一條警戒線，火車進(jìn)站時人 要站在黃色警戒線的外面． 4．浮力 液體對浸在其中的物體施加的豎直向上的托 力，叫做浮力，浮力的作用點(diǎn)叫做浮心，浮心的位臵在被排開的那部分液體的重心． B．浮力產(chǎn)生的原因 如右圖所示，設(shè)想一個長方體物 塊浸沒在液體中，它的六個表面都受到液體的壓力．由于左、右兩側(cè)面浸在液體中的深度相同，受到液體的壓強(qiáng)相等，又由于左、右兩側(cè)面面積相等，所以受到液 體的壓力也相等，對物體的作用互相抵消．前后兩側(cè)面亦同，只有上、下兩表面由于所處的深度不同，受到液體的壓強(qiáng)不同，壓力也不相等，這樣就形成了上、下表面的壓力差．由于下表面在液體中的深度大，壓強(qiáng)大，壓力也大，使物體受到向上的壓力的合力，這就是浮力． 浸在液體中的柱體受到的浮力： F 浮 =F 壓合 =F 向上 － F 向下 ． 推論： ① 當(dāng)柱體的上表面露在液面上時， F 向下 =0， F 浮 =F 向上 ． ② 當(dāng)柱體的下底面與容器的底部密合時 (它們 之間沒有液體 )， F 向上 不存在， F 浮 也不存在 (如橋 墩 )． ③ 在失 重狀態(tài)下，浮力不存在． 說明： 一般情況下，物體浸在液體中的那一部分的外 表面受到的液體的壓力的合力，就是液體對物體的浮力． (特殊情況下還要考慮大氣壓 ) 浸在液體中的物體所受浮力的大小等于被物體 排開的液體的重力． b．?dāng)?shù)學(xué)公式： F 浮 =G 排液 =ρ液 gV 排 .式中各量的配套單位： F 浮 — N； ρ液 — kg/m3； g— N/kg；V 排 =m3． c．幾點(diǎn)說明： ①“ 浸在 ” 包括部分浸在和浸沒兩種情況，部分 浸在時 V 排 V 物 ；浸沒時 V 排 =V 物 ． ②F 浮 只與 ρ液 和 V 排 有關(guān)，與液體的多少，與 物體的形狀、體積、密度、重力、在液體中是否運(yùn)動等因素?zé)o關(guān)．當(dāng)ρ 液 一定時， F 浮 和 V 排 成正比．當(dāng)物體 浸沒時，物體所受浮力與物體浸沒在液體中的深度無關(guān)． ③ 該原理也適用于氣體．由于物體在氣體中總 是被氣體包圍，所以總有 V 排 =V 物 ． 推導(dǎo)式：浸在同種液體中的某一物體，當(dāng)它排開 液體的體積改變△ V 排 時，它受到的浮力改變 △ F 浮 =ρ液 g△ V 排 ． D．測量和計算浮力大小的理論根據(jù) 如用一細(xì)線將一木塊系于容器底 部，木塊浸沒于水中處于 靜止?fàn)顟B(tài)，如右圖所示，此時F 浮 =F 拉 +G，再如用 稱重法測浮力． b．浮力產(chǎn)生的原因 對于浸在液體中的柱體 F 浮 =F 壓合 =F 向上 一 F 向下 ． c．阿基米德原理 對于浸在液體中的任何形狀的物體 F 浮 =G 排液 =ρ液 gV 排 ． 典例剖析 : 1. 雞和鴨同在濕稻田里行走，我 們發(fā)現(xiàn)鴨的腳印明顯比雞的淺．這是因?yàn)轼喤c雞相比，鴨腳掌接觸地面的面積較 ，對地面產(chǎn)生的壓強(qiáng) ． (填 “ 大 ” 或 “ 小 ”) 2. 湖北神農(nóng)架科學(xué)考察隊(duì)在叢 林深處松軟平整的泥地上發(fā)現(xiàn)“野人”行走時留下的新鮮腳印，隊(duì)員小 明用方格紙描下了“野人”的腳印，如圖所示，并測出腳印深 2 cm．已知方格紙每小格的 邊長是 3cm，則 “ 野人 ” 每只腳的面 積為 cm2(不滿一格的以半 格計 )．一般情況下，人的身高大約 是腳長的 7倍，照此推算 “ 野人 ”身 高大約為 m 為了估測 “ 野 人”的質(zhì)量，小明從背包中拿出一個邊長為 5 cm 的 正方體鋁塊，放在“野人”腳印旁的平地上，并在鋁塊上面加巖石塊，當(dāng)鋁塊陷入泥中的深度也為 2 cm時，用測力計測出鋁塊和巖石塊的總重為 65 N，據(jù)此 小明算出“野人