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4.4 水的浮力 第3课时 物体浮沉的条件
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本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 了解物体在液体中浮沉的条件，理解浮力与重力的关系 · 掌握上浮、下沉、悬浮、漂浮、沉底五种浮沉状态的条件 · 理解密度与浮沉的关系，能用密度判断实心物体的浮沉 · 理解悬浮与漂浮的异同 · 了解轮船、密度计、潜艇、热气球、飞艇的浮力原理 · 能运用浮沉条件解释生活中的浮沉现象 · 浮沉判断法一：比较浮力与重力（F浮 vs G） · 浮沉判断法二：比较物体与液体密度（ρ物 vs ρ液） · 轮船原理：空心法增大V排，增大浮力 · 潜艇原理：改变自身重力实现浮沉 · 密度计原理：漂浮时F浮=G，ρ液越大V排越小
教材精研·内容全解
考点01 物体浮沉的条件
1. 鸡蛋浮沉实验
将一颗鸡蛋放在盛有水的烧杯里，鸡蛋将沉入杯底。当把食盐逐渐溶解在水中后，鸡蛋将悬浮在盐水中。继续溶解食盐，鸡蛋会上浮到液面。
为什么鸡蛋在含盐量不同的液体中会出现不同的浮沉状态呢？因为随着食盐的不断溶解，液体的密度逐渐增大，鸡蛋受到的浮力也随之增大，当浮力与重力的大小关系发生变化时，鸡蛋的浮沉状态也随之改变。
鸡蛋在含盐量不同的液体中出现不同的浮沉状态
2. 物体浮沉的三种情况
浸没在液体中的鸡蛋，受到竖直向下的重力和竖直向上的浮力。根据鸡蛋所受浮力与重力的大小关系，鸡蛋的浮沉存在三种情况：
当浮力小于重力时，物体下沉；
当浮力大于重力时，物体上浮；
当浮力等于重力时，物体受力平衡，可以悬浮在液体中。
上浮的物体露出液面后，浮力会减小，当浮力减小到等于重力时，物体就会漂浮在液面上。
物体浮沉的情况——三种浮沉状态的受力示意图
3. 五种浮沉状态的条件
物体在液体中常见的浮沉状态有上浮、下沉、悬浮、漂浮和沉底五种。各状态的条件如下：
（1）上浮：浮力大于重力，物体向上运动。上浮是动态过程，最终物体露出液面后浮力减小到等于重力，变为漂浮。
（2）下沉：浮力小于重力，物体向下运动。下沉是动态过程，最终物体沉到容器底部，在重力、浮力、支持力作用下处于平衡状态。
（3）悬浮：浮力等于重力，物体可以静止在液体内部的任何位置。此时物体完全浸没在液体中。
（4）漂浮：浮力等于重力，物体静止在液面上，只有部分浸入液体中。漂浮是上浮过程的最终状态。
（5）沉底：浮力加支持力等于重力，物体沉在容器底部静止。沉底是下沉过程的最终状态。
上浮——浮力大于重力 悬浮——浮力等于重力 下沉——浮力小于重力 漂浮——浮力等于重力
考点02 密度与物体的浮沉
1. 用密度判断实心物体的浮沉
对于浸没在液体中密度均匀的实心物体，判断其在液体中的浮沉情况时，可将比较其所受浮力与重力的大小关系转化为比较其密度与液体密度的大小关系。
浸没在液体中的物体，如果它的密度大于液体密度，物体下沉；如果它的密度小于液体密度，物体上浮；如果它的密度等于液体密度，物体悬浮在液体中。
注意：用物质密度的关系去判断物体的浮沉情况适用于物体是实心的情形。如果是空心的，则需要比较物体的平均密度与液体密度。
密度与物体浮沉的关系
2. 实心物体浮沉条件汇总
将五种浮沉状态的条件、密度关系和体积关系汇总如下：
上浮：浮力大于重力，液体密度大于物体密度，排开液体的体积等于物体体积（露出水面前）。
下沉：浮力小于重力，液体密度小于物体密度，排开液体的体积等于物体体积。
悬浮：浮力等于重力，液体密度等于物体密度，排开液体的体积等于物体体积。
漂浮：浮力等于重力，液体密度大于物体密度，排开液体的体积小于物体体积。
沉底：浮力加支持力等于重力，液体密度小于物体密度，排开液体的体积等于物体体积。
上浮状态图示 下沉状态图示 悬浮状态图示 漂浮状态图示 沉底状态图示
3. 悬浮与漂浮的异同
悬浮和漂浮都是平衡状态，物体受到的浮力都等于重力，但两者在位置、体积关系和密度关系上有重要区别：
不同点：
（1）位置：悬浮时物体静止在液体内部任何位置；漂浮时物体静止在液面上。
（2）体积关系：悬浮时排开液体的体积等于物体体积；漂浮时排开液体的体积小于物体体积。
（3）密度关系：悬浮时液体密度等于物体密度；漂浮时液体密度大于物体密度。
相同点：浮力都等于重力，都处于平衡状态。
4. 盐水选种
根据物体浮沉条件，农业上利用盐水选种，清除漂浮种子，选出下沉饱满的种子。
饱满的种子密度较大，在盐水中下沉；不饱满的种子密度较小，在盐水中上浮漂浮，从而将好种子和坏种子分离开来。
5. 煮汤圆和饺子
当汤圆或饺子刚放入水中时，会沉入锅底；而当汤圆或饺子煮熟时，则会浮出水面。
原因：汤圆或饺子刚放入水中时，密度大于水的密度，因此下沉。在煮的过程中，汤圆或饺子受热膨胀，体积变大，排开水的体积增大，受到的浮力增大。当浮力增大到等于重力时，汤圆或饺子就浮出水面。
煮汤圆——受热膨胀后浮力增大，浮出水面
考点03 浮力的应用
1. 增大和减小浮力的方法
由阿基米德原理可知，浸在液体中的物体受到的浮力大小由液体密度和排开液体的体积决定，故可以从改变液体密度和改变排开液体的体积两方面改变浮力。
增大浮力的方法：增大液体的密度、增大物体排开液体的体积。
减小浮力的方法：减小液体的密度、减小物体排开液体的体积。
2. 轮船
人类很早就制造出了木船，而现代轮船通常用钢铁制造。钢铁的密度远大于水，用钢铁制造的轮船为什么能够漂浮在水面上呢？
如果把一块铁块放在水面，它将会沉入水底。如果将这块铁块铸成碗状，虽然它所受的重力没有改变，但是把它放在水面，它排开水的体积比块状时大得多，受到水的浮力就较大。当它浸入一定深度时，受到的浮力等于它所受的重力，它就会漂浮在水面上。轮船就是根据这个原理制造的。
轮船漂浮原理示意图——铁块沉底，碗状铁块漂浮
3. 轮船的排水量
轮船的大小常用排水量来表示，所谓排水量就是轮船装满货物时排开水的质量。例如，一艘轮船的排水量为t，表示此船满载时，货物和船身质量之和为t。
将货物装上船，船的总质量增加了，浮力也增大，船在水中下沉到更低的位置。一艘满载的货船比空载的货船在水中的吃水要深得多。
轮船始终处于漂浮状态，浮力等于重力。无论轮船是在海里还是在河里，只要轮船的重力不变，它受到的浮力就不变。但海水的密度大于河水的密度，所以轮船在海里航行时浸在水下的体积较小，即吃水线较低。
轮船——采用空心办法增大排开水的体积
4. 轮船从江河驶入大海
一艘轮船从江河驶入大海，始终处于漂浮状态，浮力等于重力。因为轮船所受的重力不变，所以它受到的浮力没有变化。
但由于海水的密度大于江河中水的密度，根据阿基米德原理可知，轮船从江河驶入大海后，排开水的体积减小，即轮船会稍微上浮一些。
5. 密度计
浮子式密度计利用它可以直接测出液体的密度。测量时，让密度计漂浮在液面上。液体的密度不同，密度计排开液体的体积就不同，液面对应密度计的位置也就不同。根据液面对应密度计上的刻度可以直接读出被测液体的密度。
原理：密度计在任何液体中都处于漂浮状态，所受的浮力等于其重力。根据阿基米德原理，液体密度越大，排开液体的体积越小，密度计露出液面的体积越大。
特点：密度计上的刻度数值是上面小、下面大，且刻度之间的间隔是不均匀的，上疏下密。密度计上的数值表示待测液体的密度是水密度的倍数，如"1.6"表示该液体密度是kg/m 。
浮子式密度计——利用漂浮原理测量液体密度
6. 潜艇
潜艇是海军的主要舰种之一，它既能在水面航行，又能潜入水下某一深度进行工作。
潜艇的两侧有水舱，当水舱充满水时，潜艇受到的重力大于浮力，潜艇就会下沉。当用压缩空气将水舱里的水排出一部分，潜艇受到的重力小于浮力时，潜艇就会上浮。当水舱里留有适量的水，潜艇受到的重力等于浮力时，潜艇就能够停留在水下某一深度的地方。
潜艇的浮沉原理——通过水舱注水、排水改变自身重力
7. 航天员的太空行走模拟训练
空间站环绕地球运行时，太空环境使得航天员在太空行走时身体变得难以控制，空间知觉也会紊乱。为了使航天员能够适应太空的特殊环境，人们设计了在大型水池中对航天员进行太空行走模拟训练的方法。
为了保证航天员在水中处于悬浮状态，应使航天员自身及所携带的装备受到的浮力与总重力相等。这就是利用了悬浮的条件：浮力等于重力。
航天员在水中进行太空行走模拟训练——利用悬浮原理
8. 鱼鳔与鱼的浮沉
鱼可以一动不动地悬浮在水中，直到感兴趣的食物出现，才立刻摆动尾巴紧跟而上。鱼的脊柱下有一个壁很薄的囊，叫作鱼鳔。鱼鳔中有从其血液里获取的氧气和氮气。
鱼通过调整鱼鳔的体积，可以改变自己的总体积，从而改变所受的浮力。鱼的上浮或下沉也是通过调整自身鱼鳔的体积来完成的。当鱼鳔膨胀时，鱼的总体积增大，浮力增大，鱼上浮；当鱼鳔收缩时，鱼的总体积减小，浮力减小，鱼下沉。
9. 热气球和飞艇
空气中的物体同样会受到空气的浮力。如果气球中所充入的气体密度比空气小，那么气球受到空气的浮力大于自身所受的重力，气球就会在空中上升。
喜庆节日放飞的气球、携带气象仪器的高空探测气球，一般充有氦气。热气球内充有被燃烧器加热后的热空气，由于空气受热膨胀，密度减小，通过调节热空气可以控制热气球的上升或下降。
为了能控制飞行物的飞行状态和使之具有推进的动力，人们制造了飞艇。飞艇有巨大的流线型艇体，艇体的气囊内充入氦气，艇体下面安装了可供人员乘坐和装载货物的吊舱，艇体上还安装了起稳定控制作用的尾面和推进装置。飞艇造价低廉、消耗燃料少，可用于交通、运输、娱乐、赈灾、气象观察、大气科学实验等。
热气球——充入热空气，密度减小，浮力大于重力 飞艇——充入氦气，可控制飞行状态
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 物体在液体中的浮沉不取决于受到浮力的大小，而是取决于物体所受的浮力和重力的大小关系。浮力大的物体不一定上浮，浮力小的物体不一定下沉。 2. 上浮和下沉是动态过程（受非平衡力），悬浮和漂浮是平衡状态（受平衡力）。上浮的最终状态是漂浮，下沉的最终状态是沉底。 3. 悬浮时物体完全浸没在液体中，排开液体的体积等于物体体积；漂浮时物体部分浸入液体中，排开液体的体积小于物体体积。两者的相同点是浮力都等于重力。 4. 用密度判断浮沉只适用于实心物体。如果是空心的，需要比较物体的平均密度与液体密度。 5. 轮船始终处于漂浮状态，浮力等于重力。轮船从江河驶入大海，浮力不变，但排开水的体积减小（因为海水密度更大）。 6. 潜艇是通过改变自身重力来实现浮沉的，而不是改变浮力。潜艇浸没后排开水的体积不变，浮力不变。 7. 密度计在不同液体中都处于漂浮状态，浮力始终等于重力。液体密度越大，排开液体的体积越小，密度计露出液面越多。密度计的刻度是上小下大、上疏下密。 8. 盐水选种的原理是利用饱满种子和不饱满种子的密度差异。饱满种子密度大，在盐水中下沉；不饱满种子密度小，在盐水中漂浮。 9. 排水量是轮船满载时排开水的质量，等于船和货物的总质量，不是船自身的质量。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 如图，水平桌面上放着一杯水，将橘子放入水中，漂浮在水面上，取出后剥皮再将橘子皮和剥了皮后的橘子放入水中，发现橘子皮漂浮在水中，剥了皮后的橘子沉到杯底。下列分析错误的是（ ）
A. 橘子皮所受的浮力等于其所受的重力
B. 橘子的密度小于水的密度
C. 剥了皮的橘子的密度大于水的密度
D. 橘子所受浮力小于剥了皮的橘子所受浮力
答：__________
2. 我国研制的水下滑翔机"海燕-X"，将世界深海下潜最大深度"刷新"到了10619米。如图所示是水下滑翔机的模型，机身上搭载的油囊可在油泵的控制下进行收缩或膨胀。当油囊收缩时滑翔机下潜，当油囊膨胀时滑翔机上浮。下列说法正确的是（ ）
A. 滑翔机是通过改变自身重力来实现浮沉的
B. 油囊收缩过程中滑翔机所受的浮力逐渐减小
C. 油囊膨胀时滑翔机所受的浮力小于滑翔机的重力
D. 滑翔机下潜时排开水的重力大于上浮时排开水的重力
答：__________
3. 小金取两块相同的实心橡皮泥，将一块橡皮泥放入水中（图A），发现沉底。将另一块橡皮泥捏成碗状（图B），放在水面上，发现可以漂浮在水面上。下列说法不正确的是（ ）
A. 橡皮泥A的密度大于水的密度
B. 橡皮泥B所受浮力等于自身重力
C. 橡皮泥B排开水的体积大于橡皮泥A排开水的体积
D. 橡皮泥B排开水的质量大于橡皮泥A的质量
答：__________
4. 宁波夏秋季节常受台风侵袭，图甲所示为用于台风预测的Argo浮标，它在海水中始终漂浮，浮标结构如图乙所示，由坚硬壳体和可伸缩油囊组成。当壳体内的油被泵入油囊时，油囊膨胀，浮标上浮；当油被抽回壳体时，油囊收缩，浮标下沉。Argo浮标能够实现上浮和下沉的主要原因是其改变了自身的（ ）
A. 比热容
B. 运动速度
C. 排开液体的体积
D. 总重力
答：__________
5. 一艘轮船的排水量为1.0 × 10 t，该轮船满载时受到的浮力是多少？（g取10 N/kg）
答：________________________________
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6. 将一个质量为120 g的实心物体浸没在水中后松手，已知物体的体积为150 cm ，ρ水 = 1.0 × 10 kg/m ，g取10 N/kg。
（1）通过计算判断该物体在水中将上浮、下沉还是悬浮？
（2）物体静止时受到的浮力是多少？
答：________________________________
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巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 综合实践活动课上，小江展示了自制的"小潜水艇"。如图甲所示，矿泉水瓶中装有适量的水，将一个未装满水的小玻璃瓶倒扣入矿泉水瓶中，给矿泉水瓶口盖上插有吸管的瓶盖，吸管与瓶盖之间密封且不接触瓶内的水面，小玻璃瓶沉在水底。小江通过吸管将矿泉水瓶中的气体吸出一部分，"小潜水艇"上浮了，如图乙所示。
（1）请分析解释"小潜水艇"上浮的原因。
（2）再说出一种能让"小潜水艇"上浮的方法。
答：________________________________
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2. 一艘轮船从长江驶入东海，已知长江水的密度为1.0 × 10 kg/m ，海水的密度为1.03 × 10 kg/m 。轮船的重力不变。请分析：
（1）轮船受到的浮力如何变化？为什么？
（2）轮船排开水的体积如何变化？为什么？
答：________________________________
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3. 小明用弹簧测力计、金属块、烧杯和水进行了如下实验：测得金属块在空气中的重力为5 N，将金属块完全浸没在水中时弹簧测力计的示数为3 N。g取10 N/kg，ρ水 = 1.0 × 10 kg/m 。
（1）金属块完全浸没在水中时受到的浮力是多少？
（2）金属块的体积是多少？
（3）金属块的密度是多少？
（4）如果将金属块完全浸没在另一种液体中，弹簧测力计的示数为3.5 N，这种液体的密度是多少？
答：________________________________
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参考答案
1. D
解析：橘子皮漂浮，浮力等于重力，A正确。橘子漂浮，密度小于水的密度，B正确。剥了皮的橘子沉底，密度大于水的密度，C正确。橘子漂浮，浮力等于橘子重力；剥了皮的橘子沉底，浮力小于其重力。橘子的重力（含皮）大于剥了皮的橘子的重力，所以橘子所受浮力大于剥了皮的橘子所受浮力，D错误。
2. B
解析：滑翔机通过油囊收缩或膨胀改变排开水的体积，从而改变浮力，不是改变自身重力，A错误。油囊收缩时排开水的体积变小，浮力减小，B正确。油囊膨胀时滑翔机上浮，说明浮力大于重力，C错误。滑翔机本身重力不变，上浮时排开水的重力大于滑翔机重力，下潜时排开水的重力小于滑翔机重力，所以上浮时排开水的重力大于下潜时，D错误。
3. D
解析：橡皮泥A沉底，密度大于水的密度，A正确。橡皮泥B漂浮，浮力等于自身重力，B正确。橡皮泥A沉底，浮力小于重力；橡皮泥B漂浮，浮力等于重力。两者重力相同，所以橡皮泥B的浮力大于橡皮泥A的浮力，排开水的体积更大，C正确。橡皮泥A、B质量相同，橡皮泥B排开水的质量等于橡皮泥B自身质量，橡皮泥A排开水的质量小于自身质量，所以橡皮泥B排开水的质量大于橡皮泥A排开水的质量。但D说"大于橡皮泥A的质量"，橡皮泥A和B质量相同，排开水的质量等于橡皮泥B的质量等于橡皮泥A的质量，D说法不正确。
4. C
解析：当壳体内的油被泵入油囊时，油囊增大，排开水的体积增大，浮力变大，浮标上浮。当油被抽回壳体时，油囊收缩，排开水的体积减小，浮力减小，浮标下沉。所以浮标是通过改变排开液体的体积来实现浮沉的，C正确。
5. 解：
答：该轮船满载时受到的浮力为1.0 × 10 N。
6. （1）解：物体的密度为
ρ物 < ρ水，物体在水中将上浮。
（2）物体上浮后最终漂浮在水面，浮力等于重力：
答：物体在水中将上浮，静止时受到的浮力为1.2 N。
1. （1）用嘴吸气后，矿泉水瓶内液面上方气体减少，瓶内气压变小，导致小玻璃瓶内部分水被排出，小玻璃瓶和瓶内水的总重力变小。小玻璃瓶浸没在水中，排开水的体积不变，浮力不变。此时浮力大于总重力，所以小玻璃瓶上浮。
（2）方法一：将另一吸管的管口贴靠在瓶中吸管的上端，沿水平方向吹气（利用流速大压强小的原理）；方法二：先用手挤压矿泉水瓶，再用另一只手堵住吸管口，最后撤去挤压矿泉水瓶的手。
2. （1）轮船受到的浮力不变。
轮船从长江驶入东海，始终处于漂浮状态，浮力等于重力。轮船的重力不变，所以浮力也不变。
（2）轮船排开水的体积减小。
因为海水的密度大于长江水的密度，在浮力不变的情况下，根据阿基米德原理，液体密度越大，排开液体的体积越小，所以轮船从长江驶入东海后排开水的体积减小。
3. （1）解：
（2）金属块的体积为
（3）金属块的质量和密度为
（4）另一种液体中受到的浮力和液体密度为
答：金属块受到的浮力为2 N，体积为2 × 10 m ，密度为2.5 × 10 kg/m ，液体密度为0.75 × 10 kg/m 。

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