第十章压强和浮力
知识梳理
1．压强
垂直作用于物体表面的力叫做压力．压力属于弹力．压力的作用效果主要表现为使物体发生形变．
压力的方向垂直于受力物体的表面并指向物体的内部．
说明：
a.压力与重力之比较：
有些压力是由重力引起的，有些压力与重力无关．即使是由重力引起的压力，其大小也不一定就等于重力，如静止在斜面上的物体，对斜面施加的压力是由物体的重力引起的，但压力小于重力．
b ．固体能沿着压力的方向大小不变地传递压力．
B.压强
a ．物理意义：压强是表示压力作用效果强弱的物理量．
b ．定义：物体单位面积上受到的压力叫做压强．
c ．定义式和决定式：S
F P =．  式中P 表示压强，F 表示压力，S 表示受力面积．    说明：受力面积是指受压力作用的物体与施加压力的物体相互接触并相互挤压的那部分面积，受力面积不一定等于施加压力的物体的底面积，如一块砖平放在桌面上，只有2/3 的底面积与桌面接触，这时的受力面积是砖的底面积的2/3，而不是整个底面积．  d ．单位
在S1中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，符号是1Pa=1N ／m 2．
一张报纸平摊在桌面上时对桌面的压强约为0.5 Pa ，一粒西瓜籽平放在桌面上时对桌面的压强约为20Pa ；一块砖平放在地面上时对地面的压强约为103Pa ；一个人站立在地面上时对地面的压强约为104Pa.
推导式：i ．静放在水平面上的柱体，当水平面的受压面积与柱体的底面积相等时，柱体对水平面的压强gh P ρ=．
式中P 表示压强，单位是Pa ；P 表示柱体的密度，单位是kg ／m 3
；g=9.8 N ／kg ；h 表示柱体的高度，单位是m
ii ．若受压面积不变，当压力改变△F 时，压强．△P=△F/S.
C.增大和减小压强的方法
为将某一物体顺利地压入另一物体中，就需要增大另一物体受到的压强．任何物体所能承受的压强都有一定的限度，若超过了这个限度，物体就会被压坏，为防止物体被压坏，就需要设法减小物体受到的压强．
a ．增大压强的方法
i ．增大压力．如：压路机上碾子的质量很大．
ii ．减小受力面积．如：短道速滑运动员的冰鞋上装有冰刀；刀刃要磨得很锋利；图钉的一端做得很尖等．
iii ．增大压力的同时减小受力面积．如：投掷飞标．
b ．减小压强的方法
i ．减小压力．如：货车要限载．
ii ．增大受力面积．如：滑雪运动员脚上穿滑雪板；推土机有宽大的履带；铁轨铺在枕木上；房屋建在地基上；书包带做得较宽等．
iii ．减小压力的同时增大受力面积．如：红军过沼泽地时，丢掉一些装备并利用较宽的木板．
2．液体的压强
A.液体产生压强的原因
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因为液体受到重力的作用且具有流动性，所以液体对支撑它的容器底部和阻碍它散开的容器侧壁部有
压强，液体内部向各个方向都有压强．
B ．影响液体内部压强大小的因素
液体内部的压强只与液体的密度和深度有关，与液体的形状、质量、重力等因素无关．同种液体内部在同一深度向各个方向的压强相等；同种液体内部，深度越大，压强越大；在不同液体的同一深度处，液体的密度越大，压强越大．
说明：
a.深度
深度是指从自由液面到某点的竖直距离．如下图中A 点的
深度h 应如图所示．梁小冰个人资料
b ．液体内部压强的公式
从液面向下取一个竖直的小液柱(这是一个物理模型)，利用S F P =知识，可推导出液体内部的压强公式：．gh P 液ρ=.式中各个物理量的配套单位是：P--Pa ；ρ--kg ／m 3；g--N
／kg ；h —m.
c ．液体内部压强知识的应用示例
①大型储油罐不能做得太高，而是做得粗一些；
②建拦河坝时，必须把坝做成下宽上窄的形状；
③潜水员潜水时，必须穿上强度大耐高压的潜水服；
④潜水艇必须用强度大耐高压的金属做外壳；
⑤护士给病人输液时，常将盐水瓶吊高一些，使盐水顺利地进入病人体内．
3．气体的压强
A.大气压及其产生的原因
地球被厚厚的大气层包围着，大气对浸在它里面的物体产生的压强叫做大气压强，简称大气压．
由于大气受到重力的作用且具有流动性，所以大气内任何一处向各个方向都有压强．    马德堡半球实验有力地证明了大气压的存在．
B.大气压的测量
大气压既可据压强普遍适用的公式S
F P =设计实验进行测量，也可据液体内部压强的公
式gh P ρ=设计实验进行测量，如托里拆利实验．
说明：①托里拆利设计的测大气压的实验，巧妙地将难测的大气压等值转换为易测的液体压强，其原理是二力平衡．在与槽内水银面齐平的管中取一个水平的小液片(这是一个物理模型)，其受到的向上的大气压力与向下的水银压力二力平衡，结合F=pS 可知：大气压P=P 液=ρgh ，这是一种等效法．
②由于水银有毒，所以现在在课堂上一般不做托里拆利实验，若用其他液体来代替水银，则所需的托里拆利管较长，操作不方便．
C.标准大气压的数值
由于大气压的值不是固定不变的，通常把76 cm 高的水银柱产生的压强称为l 个标准大气压(1 atm)．
1 atm=76 cm 高水银柱=1.O ×l05Pa
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教师年度思想工作总结D ．大气压的变化
a.大气压随高度变化  ．
由于大气压是因为大气受到重力的作用而产生的，而大气密度不均匀，所以大气压随高度的增加而减小是不均匀的．在海拔2 km 的范围内，可以近似地认为高度每增加l2 m ，大气压下降l mmHg(即133 Pa)
b ．大气压随天气变化
随着天气变化空气中水蒸气的含量不同，使空气的密度发生变化，一般地说，空气干燥时，水蒸气含量较少，空气的密度较大，气压较高．因此，晴天比阴雨天的气压高，冬天比夏天的气压高．
E ．气压计
测量大气压的仪器叫气压计，通常有水银压计和金属盒气压计，水银气压计是根据托里拆利实验制成的，它测量的结果比较准确，但携带不便，常用于气象站．
金属盒气压计(如图所示)主要部分是一个圆弧形波纹金属盒，盒内空气已被抽出，为使金属盒不被大气压压扁，盒盖用弹性钢片向外拉着，气压改变时，波纹盒的厚度发生变化，使得固定在盒面上的连杆通过传动机构带动指针偏转，指示出气压的大小，氧气瓶上所用的压力表，就是一种无液气压计．
金属盒气压计充分运用了转换观察法和放大法．
金属盒气压计也可以制成高度计，因为大气压随高度的增加而减小，一定的高度通常有对应的大气压值，因此把金属盒气压计刻度盘上的气压值换成对应的高度值，这就成了高度计．
F ．液体的沸点与液面上气压的关系及其应用
a.关系
液体的沸点随液面上气压的增大而升高，随液面上气压的减小而降低．
b ．应用
现代家庭普遍使用的高压锅，锅内气压能达到2atm ，水的沸点能升到l20℃使食物更易
煮熟．工业上要提纯酒精或熬蔗糖，由于它们的沸点低于水的沸点，所以要用低压锅．高压锅和低压
锅的制作原理基本一样，都是利用密闭的锅盖，控制锅内的气压，进而控制液体的沸点．如图所示，高压锅上有出气孔，出气孔上有安全阀，当锅内气压超过一定限度时，安全阀被顶起来，从出气孔中排出部分气体，使锅内气压降到安全范围内．低压锅则不断向外抽气，使锅内气压保持在允许约范围内．
G.液体压强与流速的关系及其应用
气体和液体都具有流动性，统称为流体．
a.关系
在流体中流速越大的地方压强越小，流速越小的地方压强越大．
b．应用
①如图(a)所示，由于机翼上凸下凹的特殊造型，当一股气流沿着机翼流过时，机翼上方通过的气流流速比机翼下方通过气流速大些，于是机翼上方所受气流的压强小于下方所受的压强，以致向上的压力大于向下的压力，就形成了机翼的升力．
②如图(b)所示，水翼船的下部也有类似飞机机翼的水翼，船在高速航行时，浸在水中的水翼便会获得升力，减小船体与水的接触面，从而减小水对船体的阻力，提高航速．
③如图(c)所示，有的跑车的尾部设计安装了一种“气压偏导器”，它的上表面平直，底部凸弧形凸起，相当于一个倒置的翅膀，跑车在高速行驶时，“气流偏导器”上方气流的速度小于下方气流的速度，上方受到的气压大于下方受到的气压，使跑车获得向下的空气压力的合力，这样跑车对地面的压力增大，跑车受到地面的摩擦力增大．跑车易于控制、不易翻车．
④打乒乓球和踢足球中的弧线球，是靠球两侧的空气流速不同产生压强差而使球在空中做曲线运动的．
⑤火车站月台上有一条警戒线，火车进站时人要站在黄警戒线的外面．
4．浮力
A.浮力
液体对浸在其中的物体施加的竖直向上的托力，叫做浮力，浮力的作用点叫做浮心，浮心的位置在被排开的那部分液体的重心．
B．浮力产生的原因
如右图所示，设想一个长方体物块浸没在液体中，它的六个表面都受到液体的压力．由于左、右两侧面浸在液体中的深度相同，受到液体的压强相等，又由于左、右两侧面面积相等，所以受到液体的压力也相等，对物体的作用互相抵消．前后两侧面亦同，只有上、下两表面由于所处的深度不同，受到液体的压强不同，压力也不相等，这样就形成了上、下表面的压力差．由于下表面在液体中的深度大，压强大，压力也大，使物体受到向上的压力的合力，这就是浮力．
浸在液体中的柱体受到的浮力：F浮=F压合=F向上－F向下．
推论：
①当柱体的上表面露在液面上时，F向下=0，F浮=F向上．
②当柱体的下底面与容器的底部密合时(它们之间没有液体)，F向上不存在，F浮也不存在(如桥墩)．
③在失重状态下，浮力不存在．
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说明：
一般情况下，物体浸在液体中的那一部分的外表面受到的液体的压力的合力，就是液体对物体的浮力．(特殊情况下还要考虑大气压)
C.阿基米德原理
a.文字表述
浸在液体中的物体所受浮力的大小等于被物体排开的液体的重力．
b．数学公式：F浮=G排液=ρ液gV排.式中各量的配套单位：F浮—N；ρ液—kg/m3；g—N/kg；V排=m3．
c．几点说明：
①“浸在”包括部分浸在和浸没两种情况，部分浸在时V排<V物；浸没时V排=V物．
②F浮只与ρ液和V排有关，与液体的多少，与物体的形状、体积、密度、重力、在液体中是否运动等因素无关．当ρ液一定时，F浮和V排成正比．当物体浸没时，物体所受浮力与物体浸没在液体中的深度无关．
③该原理也适用于气体．由于物体在气体中总是被气体包围，所以总有V排=V物．
推导式：浸在同种液体中的某一物体，当它排开液体的体积改变△V排时，它受到的浮力改变△F浮=ρ液g△V排．
D．测量和计算浮力大小的理论根据
a.力的平衡条件
如用一细线将一木块系于容器底部，木块浸没于水中处于静止状态，如右图所示，此时F浮=F拉+G，再如用称重法测浮力．
b．浮力产生的原因
对于浸在液体中的柱体F浮=F压合=F向上一F向下．
c．阿基米德原理
对于浸在液体中的任何形状的物体F浮=G排液=ρ液gV排．
典例剖析:
1.鸡和鸭同在湿稻田里行走，我们发现鸭的脚印明显比鸡的浅．这是因为鸭与鸡相比，鸭
脚掌接触地面的面积较，对地面产生的压强．(填“大”或“小”)
2.湖北神农架科学考察队在丛林深处松软平整的泥地上发现“野人”行走时留下的新鲜脚
印，队员小明用方格纸描下了“野人”的脚印，如图所示，并测出脚印深2 cm．已
知方格纸每小格的边长是3cm，则“野人”每只脚的面积为        cm2(不满一
格的以半格计)．一般情况下，人的身高大约是脚长的7倍，照此推算“野人”
造梦西游3咋抓宠物身高大约为      m为了估测“野人”的质量，小明从背包中拿出一个边长为
5 cm的正方体铝块，放在“野人”脚印旁的平地上，并在铝块上面加岩石块，
当铝块陷入泥中的深度也为2 cm时，用测力计测出铝块和岩石块的总重为65 N，
据此小明算出“野人”的质量为          kg．(g取10 N／kg)
3.实验桌上有两只大烧杯，其中一杯盛有纯净水，另一杯
盛有盐水，老师告诉小敏，盐水的密度大于纯净水的密
度，希望她用压强计将它们区别开，如图所示，小敏将
压强计的金属盒(探头)先后浸没到甲、乙两杯液体中，