溫度對浮力大小的影響

里城祺

(吉林大學附屬中學 高中部,吉林 長春 130012)

科學研究表明，浸在溶液中物體受到液體向上的浮力其大小為物體排開液體所受的重力，其重力與物體排開液體的體積V、液體密度ρ相關，F浮=ρVg，g為重力加速度. 液體分子不停地以極大速度與物體表面碰撞，使物體表面產生壓力，分子運動越快，對液體表面壓力越大；分子數越多，也就是液體密度越大對物體表面壓力越大，否則相反. 因而密度大的液體對物體表面壓力大. 當然浮力大小與浸在液體中的物體上、下表面壓力差有關. 壓力差越大，浮力越大. 如果物體下表面無液體，其下表面無向上壓力，只有上表面受到向下壓力，則無浮力.

1 溫度對浮力大小的影響

根據阿基米德原理，浸在液體中的物體所受浮力的大小等于它排開液體所受的重力. 然而，無論固體還是液體物質，它們的物理性質都會受到外界環境變化的影響. 其中溫度變化是最常見的變化. 物體的密度隨溫度變化而變化. 同體積液體，密度不同，重力不同，因而在液體中所受浮力不同. 這表明浮力會隨溫度變化而變化. 隨溫度升高，液體體積增加，密度減少，浮力減小. 為方便研究，忽略固體物體受溫度影響其體積變化(因為固體的膨脹系數遠小于液體的膨脹系數，相差幾個數量級[1]).

設有1m3熱的不良導體物體放在水中，水溫為15 ℃時密度為1kg/m3. 計算從15 ℃升到90 ℃水的體膨脹系數[2]，分析和計算該物體浮力隨溫度變化情況，相關數據如表1所示.

表1 15 ℃升高到90 ℃時浮力變化數據

由表1繪制浮力隨溫度變化曲線，如圖1所示，可以明顯看出隨溫度升高物體所受浮力減小. 為簡便，取重力加速度為10 m/s2.

圖1 1 m3物體侵在水中,隨溫度升高浮力變化

2 水的體熱膨脹系數反常對浮力的影響

溫度升高，浸在水中的物體排開水的密度減小，重力減小，浮力減小，這一規律幾乎對所有具有熱脹冷縮液體都是符合. 但是，也有的液體在某溫度范圍內具有反常的熱膨脹系數. 如水在0～4 ℃區間就是熱縮冷脹，4 ℃的水密度最大. 根據上文分析結果，溫度升高，浸在水中物體所受浮力減小，而0～4 ℃的水體膨脹系數反常，4 ℃時水密度最大，隨水溫度降低，密度減小，0 ℃時水的密度達最小值. 我們認為隨溫度降低，在100～4 ℃區間浮力增加，4 ℃時達最大值，然后隨溫度降低，水密度減小，浮力減小. 水溫從100 ℃降到0 ℃，浮力隨溫度的變化趨勢如圖2所示.

圖2 水溫從100 ℃降到0 ℃物體浮力變化趨勢

3 溫度對氣體浮力的影響

阿基米德原理不僅適用于液體，也適用于氣體[3]. 同樣，氣體中的浮力也是來源于地球對氣體的吸引，即重力. 大氣中的物體上、下表面壓力差產生浮力，與液體中溫度對浮力影響相同，溫度升高，氣體膨脹，密度減小，浮力減小，反之則浮力增加.

熱氣球充有較輕氣體氫氣或氦氣，受大氣浮力作用飄在空中. 通過改變熱氣球中氣體溫度，改變熱氣球體積，也就是改變它排出空氣的重力，改變浮力，使其平衡在大氣中某一高度.

4 結束語

分子對物體表面碰撞而產生壓力，浸在液體(氣體)中的物體上、下表面壓力差(重力差)產生浮力. 浮力大小符合阿基米德原理. 溫度變化能改變液體(氣體)密度，改變浸在其中物體的浮力. 液體(氣體)溫度升高，浮力減小，否則相反.

參考文獻：

[1] 李椿，章立源，錢尚武. 熱學[M]. 北京：高等教育出版社，1978：47.

[2] 汪和睦. 物理常數與單位[M]. 天津:天津科學出版社，1986:74.

[3] 人民教育出版社，課程教材研究所. 物理(八年級下冊)[M]. 北京：人民教育出版社，2012:53.