浮力与阿基米德中学知识

王冠里掺没掺银子,一缸水就知道

国王的疑心、金匠的手艺和一缸洗澡水,泡出了流体力学第一条大定律。

12-15岁5分钟物理 · 浮力 · 阿基米德
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两千多年前的叙拉古,据传国王让人打造了一顶纯金王冠,又疑心金匠偷梁换柱掺了银子——王冠不能熔也不能拆,怎么验?这道难题最后被一位泡在澡盆里的科学家解开了:他看见洗澡水随着身体浸入不断溢出,突然悟到了破案的方法。

你知道吗

故事最戏剧的结尾常常被略去:阿基米德想通的那一刻,大喊了一声“尤里卡”——希腊语“我发现了”,据说兴奋得直接冲上大街,连衣服都忘了穿。两千多年后,“尤里卡”仍然是全世界发明家形容灵感到来的专用词。

铁块会沉底,铁船凭什么漂?

阿基米德原理一句话就能说完:浸在液体里的物体受到的浮力,等于它排开的液体所受的重力,写成公式就是 F浮=ρ液gV排。铁的密度大约是水的八倍,实心铁块只能排开“自身体积”那么多的水,浮力远拉不住重力,于是沉底;可把同样的铁轧成大大的船壳,浸入水里的体积暴增,排开的水重到足以托起整条船——万吨巨轮就这样漂在海面上。

所以决定沉浮的其实是“密度对决”:物体整体的平均密度小于液体,就漂;大于液体,就沉。往水里加盐,水的密度变大,鸡蛋就能浮起来——死海含盐量极高,人可以躺着看报不下沉。潜水艇的道理一模一样:往水舱里注水,平均密度变大就下潜;把水吹出去,就上浮。热气球不过是把这套规则搬到了空气里。

  • 阿基米德原理:浮力等于排开液体所受的重力
  • V排:浸入多少,才算排开多少
  • 沉浮看密度:物体平均密度和液体比大小
  • 潜水艇:靠水舱注水排水改变自重
  • 热气球:空气也是流体,同样吃这一套

从王冠到曹冲称象

验王冠的办法是分别把王冠和等重的纯金放进满水缸,比较排出的水量——掺了银的王冠体积更大,水会溢得更多。地球另一边的中国,七岁的曹冲用船当“水缸”称出了大象的体重,用的正是同一个原理。今天的轮船船身上都画着“吃水线”,标出不同海区允许的安全深度:船装得越重,吃水越深,排开的水越多——那道线,就是阿基米德原理刻在钢铁上的签名。

下次游泳时做个小实验:站在浅水区慢慢下蹲,感受浮力从脚掌一路“涨”上肩膀;再深深吸一口气憋住,看看身体是不是更容易漂起来——想想看,是胸腔里那口气改变了什么?

给我一个支点,我就能撬起整个地球。——阿基米德