巧用“平衡點”解答浮力的問題

摘要：力學中的中“平衡點”是物理學中一種"神奇"和"美"，而在一些浮力問題的解答時，善于發(fā)現(xiàn)這種平衡美的同時，也是解答問題的一個關(guān)鍵節(jié)點，如何利用浮力問題中的“平衡點”在解題中具有較高實踐意義，值得廣大教師借鑒和推廣。

關(guān)鍵詞：平衡;動態(tài)過程;靜態(tài)過程

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2018）01-0167-01

物理是中學生普遍感覺到比較難的一門學科，而浮力的問題則是初學物理的同學較難掌握的一個知識點，在進行浮力有關(guān)章節(jié)知識教學時，引導學生對水中物體進行受力分析的同時，巧找物體在水中的“平衡點”往往是突破問題的關(guān)鍵，既有將復雜的、抽象的復雜浮力問題分解為更簡潔、更容易分析的物體平衡問題。

例1：傍晚，漁民滿載著收獲的魚蝦，從近海返航，漁船從入?？谶M入內(nèi)河，在此過程中漁船（ ）

A.受的浮力變小，船體下沉一些

B. 受的浮力不變，船體下沉一些

C.受到的浮力不變，船體既不上浮，也不下沉

D. 受的浮力變大，船體上浮一些

這道題目好多的同學會錯選A（認為船從?？趶倪M入內(nèi)河時，船題下沉一些，原因是浮力變小才會下沉）;而正確答案為B，但學生很困惑，為什么船體下沉而浮力的大小卻沒有改變？教師在答題解惑時，應(yīng)該引導學生對漂浮在水面的船體作為研究對象，船體在海面和在內(nèi)河均為漂浮靜止在水面上，說明船體在海面與河面最后均處于平衡狀態(tài)，因此所受合力為零，由于船體的重力沒有變化（船從?？诘絻?nèi)河的過程），因此浮力必須完全與重力抵消，重力沒有變，浮力也就不能變，所以先確定浮力不變，而浮力不變時為什么船體會下沉的真正原因是河水的密度小于海水的密度，因此船在內(nèi)河必須排開更多的水才能確保浮力不變。

例2：我國第一艘航空母艦"遼寧號"航母的甲板上的艦載機飛離航母到釣魚島進行巡航檢查時，航母所受的浮力（選填"變大"，"變小"或"不變"），艦體會些。（選填"上浮"，"下沉"或"不變"）

同理當航母甲板上的艦載機飛機飛離航母后，飛機飛離航母前后，航母均處于水面靜止的平衡狀態(tài)，因此前后所受浮力必須與航母的重力平衡抵消，但飛機飛離航母前后航母所受重力減少（減掉飛機的重力），因此對應(yīng)浮力也必須減少，因此艦體會上浮些答案為（減少 上浮些）。

例3：如圖1甲所示，一個底面積S1=100cm2的圓柱形水槽靜止在水平地面上，水槽底部放有一底面積S2=40cm2的圓柱形木塊，木塊底面與水槽底部用一輕質(zhì)細繩連接。從t=0時刻起，往水槽里面勻速且緩慢注水，假設(shè)木塊上浮時保持豎直狀態(tài)，水槽足夠高，木塊最后完全浸沒在水中，如圖乙所示。整個過程中沒有水溢出，細繩也沒有斷裂。水槽底部受到木塊的壓力FN與細繩的拉力FT隨時間變化的圖像分別如圖丙、丁所示，則繩子的長度為cm。（g取10N/kg）

本題中圓柱形木塊共有3處的不同位置的平衡，第1處平衡（木塊與容器底部接觸）;第2處平衡（木塊脫離容器底部，但繩子松的不提供拉力）;第3處平衡（木塊脫離容器底部，但繩子繃緊提供拉力），解題時應(yīng)抓住這3處平衡進行受力分析，建立方程即可順利地解題，在0-100s這段時間，隨著水慢慢注入水槽中，木塊的支持力慢慢減小，木塊所受浮力慢慢增加，這一動態(tài)過程中，看不到木塊的上升，但是F支+F浮=G木塊，100s時，F(xiàn)支=0N， 在100-200s這段時間，木塊慢慢上浮，但由于F浮=G木塊，繩的拉力FT=0N，所以繩子還沒拉直， 在200s時，繩子剛好拉直;而在200-300s這段時間，再繼續(xù)添加水后，木塊所受的浮力大于重力，這時拉力與重力的合力與浮力平衡此過程FT+G木塊=F浮，第300s水剛好把木塊完全浸沒，因此300s后，再繼續(xù)添加水后，木塊所受的浮力不變，所以繩子的拉力也不變，大小為300N。教師在引導學生解題時，讓學生了解并分析這3個平衡點，從平衡點入手解題，就能突破這道題難點，得到正確答案（答案為6cm）。

物理問題中的“平衡點”的確定不是憑空想象、胡思亂想，它要有物理科學依據(jù)，符合物理規(guī)律;在力學中物體如果處于靜止狀態(tài)或者勻速直線運動狀態(tài)，這時物體就處于平衡狀態(tài)，否則就是非平衡狀態(tài)（如：加速上浮或加速下沉），而物體處于平衡狀態(tài)，則物體要么不受力（牛頓第一定律），要么受力的合力互相抵消，合力為零。因此在審題時，要注意題目給出的物理情景有無滿足“平衡點”的條件（"靜止"或"勻速直線運動"），再綜合受力分析進行解答，這樣的解題方法才是科學的、有效的。

作者簡介：

徐學林（1969-）男，中學物理高級教師，主要從事初中物理教學工作，泉州市第二屆名師，曾獲泉州市德化縣2016年優(yōu)課一等獎。