淺議試題命制中浮體平衡的穩(wěn)定性問(wèn)題

唐建國(guó)

(蘇州市胥江實(shí)驗(yàn)中學(xué)校 江蘇 蘇州 215004)

在初中物理教學(xué)中，有一類(lèi)關(guān)于物體漂浮的習(xí)題比較常見(jiàn)，如以下例題：

圖1 例題題圖

由于此類(lèi)題目綜合考察了二力平衡、阿基米德原理和密度的知識(shí)，因此廣受試題命題者的青睞，甚至也常見(jiàn)于各地的中考試卷中.然而讓命題者忽視的是，呈現(xiàn)給學(xué)生的示意圖雖然符合二力平衡的條件，卻沒(méi)有考慮到漂浮的物體(以下稱(chēng)浮體)平衡時(shí)的穩(wěn)定性[1].

考慮如圖2(a)所示的一個(gè)對(duì)稱(chēng)浮體.在初始狀態(tài)，浮體是平衡的，重心C在上，浮力F的作用點(diǎn)浮心D在下，通過(guò)CD的連線(xiàn)稱(chēng)為浮軸.當(dāng)浮體受到微小的擾動(dòng)，浮體發(fā)生等體積傾斜，即浮體排開(kāi)液體體積不變，浮力的大小不變，但浮心移至D′點(diǎn)，如圖2(b)所示.此時(shí)浮力作用線(xiàn)與浮軸的交點(diǎn)稱(chēng)為定傾中心，記作M點(diǎn)，當(dāng)浮體偏轉(zhuǎn)的角度θ較小時(shí)，可以認(rèn)為定傾中心M點(diǎn)的位置不變.M點(diǎn)至D點(diǎn)的距離MD稱(chēng)為定傾半徑，記作R.根據(jù)流體力學(xué)的知識(shí)，浮體的穩(wěn)定性是由浮體的重心C和定傾中心M的相對(duì)位置決定的[2].

圖2 對(duì)稱(chēng)浮體

(1)當(dāng)重心C在定傾中心M之下時(shí)，浮力和重力組成一個(gè)扶正力矩，如圖3(a)所示，使物體從偏斜位置恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，這種情況稱(chēng)為穩(wěn)定平衡.

(2)當(dāng)重心C和定傾中心M重合時(shí)，浮體在任何傾斜位置都能保持平衡，如圖3(b)所示，這種情況稱(chēng)為隨遇平衡.

(3)當(dāng)重心C在定傾中心M之上時(shí)，浮力和重力組成一個(gè)傾覆力矩，如圖3(c)所示，浮體無(wú)法從偏斜位置恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置，這種情況稱(chēng)為不穩(wěn)定平衡.

(a)

圖4 長(zhǎng)方體木塊浮于水面

即為

又由于浮力和重力相等，所以

ρ木gBLH=ρ水gBLh

簡(jiǎn)化為

代入平衡穩(wěn)定條件得

根據(jù)上式，教師在命制相關(guān)習(xí)題的時(shí)候，要考慮給出的已知物理量要符合浮體的平衡條件的約束.

(1)若木塊是正方體(B=L=H)或者截面是正方形的長(zhǎng)方體(L=H)，上式變?yōu)?/p>

6n(1-n)<1

整理得到：6n2-6n+1>0 解不等式得到

或

只有當(dāng)n，也就是木塊密度和水的密度的比值滿(mǎn)足上述條件，呈現(xiàn)給學(xué)生的木塊的平衡狀態(tài)才能穩(wěn)定.所以，本文一開(kāi)始給出的題目，木塊的密度與水的密度的比值為0.6，其顯示的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中這種平衡狀態(tài)下的木塊會(huì)很容易傾覆.

即

通過(guò)上述討論，教師在命制此類(lèi)題目時(shí)要考慮全面，浮體的平衡既要滿(mǎn)足二力平衡的條件，也要符合平衡穩(wěn)定性的約束，要讓紙面上呈現(xiàn)給學(xué)生的條件、圖能經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn).