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4.4 水的浮力
01 本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
了解水及其他液体对浸入其内的物体都会产生浮力的作用，知道空气也有浮力；通过实验，探究浮力的大小跟哪些因素有关。 能用实验探究阿基米德原理，能用等效替换的方法理解阿基米德原理；能用压强原理解释阿基米德原理。 会用物体的浮沉条件解释有关现象和解决简单的实际问题。 测量浮力用“称重法”：先测空气中重力 G，再测浸液体中时弹簧测力计示数 F示，则 F浮＝G－F示。 探究浮力影响因素用控制变量法：比较浮力时只改变一个量（浸入体积或液体密度），其余保持不变。 阿基米德原理用等效替换理解：把浸没物块想象成“同形状同体积的水块”，浮力等于这块水所受重力。 判断浮沉两条路：比力（F浮与G）或比密度（ρ物与ρ液）；露出液面后浮力减小，最终漂浮时 F浮＝G。
02 教材精研·内容全解
考点01 浮力
一、浮力
泳池中游泳的运动员、湖中游弋的游船、海洋中漂浮的冰山，都受到重力的作用，但它们并没有因此沉入水中，这是因为水产生了向上托的力，托住了它们。浸在液体中的物体受到液体对它向上的力，这个力叫作浮力（buoyancy force）。我们可以通过一只气球来感受浮力的作用：把气球按入水中，可以感觉到水对气球的浮力；气球浸入水中部分的体积越大，手往下用力也越大，说明气球受到的浮力也越大。浮在水面的物体受到水的浮力，在水中下沉的物体（如石块、铁钉）也受到水的浮力。
手按气球入水
二、用弹簧测力计测量浮力
如图甲所示，在弹簧测力计下悬挂一块铝块，弹簧测力计的读数 F 就是铝块受到的重力；如图乙所示，将铝块浸没在水中，弹簧测力计的读数变为 F 。物体浸没在水中时，弹簧测力计的读数变小，说明浸没在水中的物体受到了水的浮力；弹簧测力计读数减少的值，就等于物体所受浮力的大小。用这种方法可以测量浮力（称重法）：F浮＝G－F示。
称重法测浮力：
用弹簧测力计测量浮力（甲、乙）
三、探究浮力大小跟哪些因素有关
把铝块悬挂在弹簧测力计下，当铝块浸入水中的体积逐渐增大时，弹簧测力计读数变小，说明浮力变大；铝块浸没在水中后，改变其浸没深度，弹簧测力计读数不变，说明浮力与深度无关；把铝块浸没在酒精中，与浸没在水中时比较，弹簧测力计读数不同，说明浮力与液体种类（密度）有关。实验表明，物体在液体中所受的浮力大小，跟它浸在液体中的体积、液体的密度有关。
铝块所受的浮力变化（甲、乙）
人能漂浮在死海上
思考与讨论：在中东地区的死海，人能漂浮在水面上看书，是因为死海海水的密度很大，人排开的海水所受重力（即浮力）大于人自身的重力。
考点02 阿基米德原理
一、阿基米德原理
铝块浸在水中时，它占据了原来由水占据的空间，即它排开了这部分水。铝块排开水的体积越大，受到的浮力就越大。进一步可推断，铝块受到的浮力大小与它排开水的质量大小有关，也就是与它排开水所受的重力大小有关。大量的实验结果表明：浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力。这就是著名的阿基米德原理（Archimedes principle）。用公式表示为：
阿基米德原理不但适用于液体，同样适用于气体浮力的计算。
二、探究浮力大小与排开水所受重力大小的关系
器材：溢水杯、量筒、烧杯、弹簧测力计、铁架台、圆柱形物块、水。把溢水杯盛满水，将物体浸入水中，让溢出的水流入小烧杯中，小烧杯中的水就是物体排开的水；用量筒测出物体排开水的体积，再计算出物体排开水所受的重力。实验中需直接测量：物体所受重力、物体浸没时弹簧测力计示数（求浮力）、排开水的体积（求排开水重力）。分析数据得出结论：浮力大小等于排开液体所受重力。
研究浮力大小与物体排开水多少的关系
量筒和溢水杯
实验记录表（表4.4-1）：
量筒中水的体积 / cm 量筒中水和铁块的总体积 / cm 铁块排开水的体积 / cm 铁块受到的浮力 / N 排开的水受到的重力 / N
（记录） （记录） （记录） （记录） （记录）
三、浮力产生的原因
液体内部压强随深度增加而增大。把正方体物块浸没在水中时，物块前后面、左右侧面所处深度相同，受到液体的压力相互平衡；物块上、下表面所处深度不同，液体对物块下表面的压强大于对上表面的压强，下表面所受液体向上的压力 F 大于上表面所受液体向下的压力 F ，即物块上、下表面受到液体对它的压力不同，这就是浮力产生的原因。
浮力产生的原因（正方体水块替换法）
四、实践活动：装满水的塑料袋
在一只很薄的塑料袋中装满水，排出袋中空气，用细线扎紧袋口，挂在弹簧测力计下；再将塑料袋缓慢浸没在水中，可观察到弹簧测力计示数变为零。这是因为塑料袋及其中水的重力，恰好等于它排开同体积水所受的浮力，二者平衡。
测量装满水塑料袋所受的浮力
考点03 物体浮沉的条件
一、物体浮沉的情况
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。浸没在液体中的物体，受到竖直向下的重力和竖直向上的浮力，根据浮力与重力的大小关系，物体浮沉存在三种情况。
鸡蛋在液体中的沉浮
物体浮沉的情况（受力示意图）
二、浮沉条件的表述
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。
思考与讨论：浸没在水中的实心物体，可根据其密度与水密度的比较判断浮沉：
根据这个原理，农业上利用盐水选种，清除漂浮的种子，选出下沉饱满的种子。
生活中的浮沉现象：煮汤圆或饺子时，刚放入水中会沉入锅底；煮熟时则会浮出水面。
煮汤圆
考点04 浮力的应用
一、轮船
钢铁密度远大于水，但用钢铁制造的轮船能漂浮在水面上。把铁块铸成碗状，虽然所受重力不变，但放在水面时排开水的体积比块状时大得多，受到水的浮力较大；当它浸入一定深度时，浮力等于重力，就会漂浮在水面上。轮船就是根据这个原理制造的。轮船的大小常用排水量表示，即轮船装满货物时排开水的质量。一艘轮船的排水量为 1.8×10 t，表示此船满载时货物和船身质量之和为 1.8×10 t。装上货物后总质量增加，船受到的浮力增大，排开水的体积增大，船会下沉些。
轮船漂浮原理示意图
思考与讨论：一艘轮船从江河驶入大海，浮力不变（始终等于船的重力），但由于海水密度大于江水，排开水的体积减小，船会上浮一些。
二、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直接读出被测液体的密度。
浮子式密度计
三、潜艇
潜艇两侧有水舱。当水舱充满水时，潜艇受到的重力大于浮力，就会下沉；当用压缩空气将水舱里的水排出一部分，重力小于浮力时，潜艇就会上浮；当水舱里留有适量的水，重力等于浮力时，潜艇就能停留在水下某一深度。探索活动（玻璃球模拟）：球内装满水时沉入水下；将针筒活塞向内推，把球内水从底部小孔压出，玻璃球上浮；将活塞往外拉，水从底部小孔进入球内，玻璃球下沉。
潜艇浮沉的模拟实验
潜艇的浮沉原理
科学阅读·悬浮的鱼：鱼通过调整鱼鳔的体积改变自身总体积，从而改变所受浮力，实现上浮或下沉。
航天员太空行走模拟训练：为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装备受到的浮力与总重力相等。
航天员在水中进行太空行走模拟训练
四、气球、飞艇与热气球
空气中的物体同样受空气浮力。若气球所充气体密度比空气小，气球受到空气的浮力大于自身重力，就会上升。喜庆气球、高空探测气球一般充氦气；热气球内充加热后的热空气，空气受热膨胀、密度减小，通过调节热空气可控制升降。飞艇有巨大的流线型艇体，气囊内充氦气，下面安装吊舱与推进装置，可用于交通、运输、赈灾、气象观察等。
热气球
飞艇
03 避坑指南·易错辨析
易错警示 1. 浮力是浸在液体（或气体）中的物体受到的向上的力，方向总是竖直向上；并非只有“水”才产生浮力，酒精、海水、空气都能产生浮力。 2. 称重法 F浮＝G－F示 中，F示 是物体浸在液体中时弹簧测力计的示数；物体上浮露出液面后 F示 会变化，计算浮力必须用“完全浸没时”的示数。 3. 阿基米德原理 F浮＝G排液＝ρ液gV排液 适用于液体和气体；V排液 是物体“排开液体”的体积，部分浸入时 V排液 等于浸入部分的体积，不是物体总体积。 4. 浮力产生的原因是上下表面压力差（F －F ）；若上下表面深度相同（如贴底且底面无缝隙），压力差为零，此时不受浮力。 5. 浮沉判断两条等价路径：比力（F浮 与 G）或比密度（ρ物 与 ρ液）；“上浮”最终必“漂浮”（F浮＝G），“下沉”最终沉底。 6. 轮船“排水量”是排开水的质量，不是船的质量；船从江河驶入大海浮力不变，但排开水体积变小、船身上浮。 7. 密度计在任何液体中都漂浮，浮力始终等于重力；它是通过改变排开液体体积（而非改变浮力大小）来比较液体密度的。
04 实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 关于浮力，下列说法正确的是（ ）
A. 浮力都是由水产生的
B. 只有固体才受到浮力
C. 在水中下沉的铁块不受浮力
D. 游向水面的鱼儿受到向上的浮力
2. 弹簧测力计下挂着一个铁球，静止时弹簧测力计的示数是____；把铁球浸没在水中，铁球受到的浮力是____，则此时弹簧测力计的示数为____，铁球受到浮力的施力物体是____。
3. 探究浮力的大小跟哪些因素有关的实验情形如图所示，其中所用金属块和塑料块的密度不同，但重力均为____，下列分析正确的是（ ）
A. 金属块浸没在水中时，受到浮力的大小为____
B. 利用甲、乙，可以探究浮力的大小与物体体积的关系
C. 利用乙、丙，可以探究浮力的大小与液体密度的关系
D. 利用丙、丁，可以探究浮力的大小与物体密度的关系
4. （嘉兴中考）如图所示，某课外兴趣小组的同学利用弹簧测力计和量筒研究“浮力大小与排开液体多少的关系”，设计了如下实验步骤和数据记录表格。
①在量筒中加入水，读出量筒内水面位置的刻度。
②把系有细线的铁块挂在弹簧测力计的挂钩上，测出铁块的重力。
③把挂在弹簧测力计下的铁块浸没在盛有水的量筒里，再次读出弹簧测力计的示数。
④读出量筒内水面位置升高后的刻度。
⑤计算铁块排开水的体积，求出铁块排开的水受到的重力。
实验过程中，小组同学发现设计的表格中缺少一项，该项是______。补充完整后，完成实验。分析数据得出结论：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力。
典例4 实验装置（甲、乙、丙、丁）
（1）量筒中不能加入太多的水，否则无法直接测出__________________，从而不能得出实验结论。
（2）通过以上实验得出的结论不可靠，理由是______。
A. 没有进行多次重复实验
B. 没有换用其他液体进行实验
C. 没有进行物体部分浸入水中时的实验
5. 如图所示，甲、乙、丙、丁四个小球的体积相等，受到的浮力最小的小球是（ ）
A. 甲
B. 乙
C. 丙
D. 丁
6. 一个苹果的质量为____，体积为____，用手将其浸没在水中时，苹果受到的浮力为____；松手后苹果将______（选填“上浮”“下沉”或“悬浮”）；当苹果保持静止后受到的浮力为____。将苹果露出水面的部分削去，水面以下的部分会______（选填“上浮”“下沉”或“悬浮”）。
7. 如图所示是甲、乙两种物质组成的物体的质量与体积的关系图像，分别用甲、乙两种物质制成体积相等的甲、乙两实心物体，并浸没在水中，则松手稳定后（ ）
A. 乙漂浮，乙受到的浮力小
B. 甲漂浮，甲受到的浮力大
C. 乙沉底，甲受到的浮力大
D. 甲沉底，乙受到的浮力大
8. 下列关于生产和生活中物体浮沉条件应用的说法错误的是（ ）
A. 图甲：潜艇通过改变自身所受的重力实现上浮和下潜
B. 图乙：孔明灯通过加热灯罩内空气，利用热空气密度较小实现升空
C. 图丙：鱼类通过改变鱼鳔的大小，从而改变所受浮力的大小实现上浮和下潜
D. 图丁：密度计通过比较在不同液体中所受浮力的大小比较液体的密度
05 巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 一个盛有盐水的容器中悬浮着一颗鸡蛋，容器放在斜面上，如下图所示。在图上画出鸡蛋所受浮力的方向。
第1题图
2. 将轮船的铁锚从水下深处向上提起，直至完全提出水面。这个过程中，铁锚受到的浮力将怎样变化？
3. 将重 6 N 的物体浸没在水中，它排开的水重 5 N，则物体在水中受到的浮力是多少牛？
4. 测得一个苹果浸入水中的体积为 1.2×10 m ，求此时苹果受到的浮力大小。（g 取 10 N/kg）
5. 某同学要买观赏鱼（如右图），每一袋观赏鱼内约有 1/3 的体积是封闭的空气。回到家后，他将装着水和观赏鱼的塑料袋直接放入家里的鱼缸中。如果不计塑料袋的自重，那么这个装着水和鱼的塑料袋在鱼缸内的水中将处于什么状态？
第5题图
6. 我国首台深海载人潜水器蛟龙号在太平洋马里亚纳海沟进行 7 km 级海试。蛟龙号通过向空气舱中注入海水以实现下沉，用抛弃压载铁的办法实现上浮。请写出蛟龙号下沉、上浮的原理。
7. 有甲、乙、丙三个物体，其密度分别为：ρ甲＝0.85 g/cm ，ρ乙＝1.05 g/cm ，ρ丙＝1.25 g/cm 。现将它们放在密度为 1.05 g/cm 的液体中。右图是这三个物体在液体中的四个可能的位置。请为这三个物体选择合适的位置。
第7题图
8. 医生给病人体检，有时需要测量病人血液的密度。如果用密度计进行血液测量，需要的血液量较多。分析人员采用了一个巧妙的方法：先在几支试管内分别装入密度不同的、呈淡蓝色的硫酸铜溶液，然后分别在每支试管中滴入一滴血液。只要看到哪支试管中的血滴悬浮在硫酸铜溶液中，就能判断出血液的密度。说说这一做法的依据。
9. 人们常用“浮筒打捞法”打捞沉船，做法是把几个浮筒灌满水，使它们沉到水底，潜水员用钢索把它们拴在沉船的两侧。然后，打捞船上的机器开动起来，把空气压进浮筒，将筒内的水排出去，沉船就可以浮起来了（如右图所示）。这种方法的原理是什么？
第9题图
05 参考答案
【实战演练】
第1题：D
任何液体或气体都会对浸入其中的物体产生浮力，浮力的方向总是竖直向上的，故 A、C 错误，D 正确；液体中的气泡会受到浮力，雨滴在空气中也会受到浮力，故 B 错误。
第2题：浮力＝17 N；弹簧测力计示数＝G－17 N；施力物体是水
由称重法 F浮＝G－F示 可得，铁球浸没在水中受到的浮力 F浮＝17 N，此时弹簧测力计示数 F示＝G－F浮＝G－17 N；铁球受到浮力的施力物体是水。
第3题：A
由题图乙可知，金属块浸没在水中时弹簧测力计示数，所以金属块浸没在水中受到的浮力可由 G－F示 求出，故 A 正确；比较题图甲、乙，金属块浸入水中的体积不同，可探究的是浮力与物体浸入水中体积的关系，而不是物体体积的关系，故 B 错误；比较题图乙、丙，体积不同的金属块与塑料块，除体积不同外密度也不同，因此不可以探究浮力与液体密度的关系，故 C 错误；比较题图丙、丁，塑料块浸没在水和酒精中，弹簧测力计示数不同，说明塑料块所受浮力不同，可探究浮力与液体密度的关系，故 D 错误。
第4题：缺少项是“铁块的重力”；(1) 水和铁块的总体积；(2) ABC
（表格缺失项）探究浮力与排开水重力的关系，需先测铁块重力，故缺少“铁块的重力”。(1) 向量筒中加入适量的水，水不能太多，否则放入铁块后水面超过量筒量程，不能得出水和铁块的总体积，进而不能得出排开水的体积，从而不能得出实验结论，故应填“水和铁块的总体积”。(2) 为得到普遍结论，应换用不同液体进行实验，并进行物体部分浸入水中时的实验，多测几组数据；故 A、B、C 都正确。
第5题：A
由题图可知，酒精中甲漂浮、乙悬浮，水中丙悬浮、丁沉底；因四种小球体积相等，由 F浮＝ρ液gV排 可知，排开液体体积最小的甲所受浮力最小。
第6题：浮力为 1.8 N；松手后上浮；静止时浮力为 1.4 N；削去露出水面的部分后，水面以下部分上浮
苹果浸没时浮力 F浮＝1.8 N；因 F浮＞G，松手后上浮；静止漂浮时 F浮＝G＝1.4 N；将露出水面的部分削去后，剩余部分重力减小、浮力相对变大，水面以下部分继续上浮。
第7题：A
由 m-V 图像可知，甲物质密度大于水、乙物质密度小于水；体积相等的甲、乙两实心物体浸没在水中，甲密度大于水而沉底，乙密度小于水而漂浮。乙漂浮时排开水的体积小，由 F浮＝ρ水gV排 可知乙受到的浮力小，故 A 正确。
第8题：D
密度计使用时漂浮在待测液体中，所受浮力始终等于重力，比较不同液体密度大小是在浮力不变时，液体密度越大、排开液体体积越小，故 D 错误（不是比较浮力大小）。
【巩固拓展】
第1题：过鸡蛋重心，沿竖直向上方向画一条带箭头的线段，标注 F浮（浮力方向始终竖直向上，与重力方向相反）。
第2题：铁锚从水下深处向上提起直至完全提出水面的过程中：浸没时排开水的体积不变，浮力不变；露出水面后排开水的体积逐渐减小，浮力逐渐减小；完全离开水面后浮力变为 0。即浮力先不变、后减小到 0。
第3题：由阿基米德原理，物体受到的浮力等于它排开的水所受重力，F浮＝G排＝5 N。
第4题：苹果浸没时 V排＝V浸＝1.2×10 m ；F浮＝ρ水gV排＝1.0×10 kg/m ×10 N/kg×1.2×10 m ＝1.2 N。
第5题：塑料袋内约 1/3 体积为封闭空气，整体平均密度小于水，不计塑料袋自重时，塑料袋所受浮力大于总重力，因此塑料袋在鱼缸水中将上浮，最终漂浮。
第6题：蛟龙号向空气舱注入海水时，自身总重力增大，当重力大于浮力时下沉；抛弃压载铁排出海水时，自身总重力减小，当浮力大于重力时上浮。其原理是改变自身重力实现浮沉。
第7题：液体密度 ρ液＝1.05 g/cm 。ρ甲＝0.85 g/cm ＜ρ液，甲上浮（最终漂浮，位置在液面附近，如①）；ρ乙＝1.05 g/cm ＝ρ液，乙悬浮（如②或③）；ρ丙＝1.25 g/cm ＞ρ液，丙下沉（如④）。
第8题：血液密度若等于某试管中硫酸铜溶液密度，血滴所受浮力等于重力，血滴悬浮；若血液密度大于溶液密度则下沉，小于则上浮。因此哪支试管中血滴悬浮，该试管硫酸铜溶液的密度即等于血液密度。
第9题：浮筒灌满水时重力大于浮力，沉到水底并拴在沉船两侧；将空气压进浮筒排出筒内水后，浮筒总重力减小、浮力增大，当多个浮筒的总浮力大于沉船重力时，将沉船拉起。原理是改变浮筒重力（排水减负）产生向上拉力。

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