由“轮船原理”延伸的浮力问题

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  人教版八年级物理《物体的浮沉条件及应用》中,关于轮船原理是这样表述的:“采用空心的办法,增大可利用的浮力,使本身密度大于水的钢铁轮船能漂浮在水面上。” 根据物体的沉浮条件可知,一铁块放入水中会下沉,因为自身体积有限,它用整个体积排开水的重量(即受到浮力)仍然小于自身重量。为了使它能多排水,把铁做成空心的增大外表体积,增大它排水的能力,通过增大V排使F浮增大,当增大到一定程度时,F浮>G物,从而上浮,最终使F浮=G物,实现漂浮。除了采用空心铁块的办法增大可利用的浮力外,还能否通过别的漂浮物来排开水实现漂浮呢?
  延伸船载物问题。教学中,教师可以这样做:放入水中要下沉的铁块,若放在漂浮的小船上,这时小船会下沉一些(多排开一些水),增大了浮力,铁块通过小船排开水实现了漂浮。一旦把铁块从船上卸下,放入水中,铁块会沉入水底,这时只是利用自身体积排开水,由轮船原理知道排开水的体积变小,因此池水水面高度会下降。若推理,我们只需比较[V]排的变化即可。
  铁块在船上时排开水的总体积:
  [V总排=F浮ρ水g=G船 G铁ρ水g=G船ρ水g=G铁ρ水g]①
  铁块卸入水中沉底后,此时排开水的体积:
  [V船排 V铁=F船浮ρ水g V铁=G船ρ水g G铁ρ铁g]②
  ①②式只有分母中的[ρ水]和[ρ铁]不一样,因为[ρ水]<[ρ铁],所以①式>②式,由此知道铁块卸入水中,铁块体积小于它在船上排开水的体积,池水水面下降。
  然后,教师引导学生继续思考:若小船上放的是密度比水小的物体,如木块卸入水中时,木块仍然是漂浮状态不变,水面高度将如何变化。
  木块在船上时,排开水的总体积:
  [V排=F浮ρ水g=G船 G木ρ水g=G船ρ水g=G木ρ水g]③
  木块卸入水中后漂浮,此时排开水的体积:
  [V船排 V木排=F船浮ρ水g F木浮ρ水g=G船ρ水g G木ρ铁g]④
  ③④完全一样,所以③式=④式,池水水面高度不变。
  若小船上放的是密度等于水的物体。物体卸入水中后悬浮,同上,水面高度不变。学生总结:第一种情况,若小船上物体密度比水大,物体卸入水中水面高度下降;第二种情况,若小船上物体密度比水小或相等,物体卸入水中水面高度不变。
  联想冰包物问题。“冰包物”指一块冰中包含有石子、铁块木屑等杂质漂浮在水面上,当冰融化后容器水面高度的变化问题。冰包物问题是初中浮力中难度较大的问题,直接让学生理解很难,教师可以借助上面船载物问题帮助學生理解。
  水盆中的水面上漂着一块冰,冰融化后水面如何变化?盆中水的体积不变,变化的是冰漂浮时排开水的体积V冰排和这块冰融化成水后的体积V水,计算如下:
  [V冰排=F浮ρ水g=G冰ρ水g]
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