物理学故事系列(一):鉴别王冠的真伪

2022/3/23 14:15:17 矩道科技 产品动态

阿基米德是生活在两千多年以前的古希腊物理学家和数学家,是静力学和流体静力学的奠基人。

关于阿基米德,流传着这样一段有趣的故事。

相传古希腊国王让金匠做了一顶纯金的王冠,想要鉴别王冠中是否掺了假。但这顶王冠确与当初交给金匠的纯金一样重,到底王冠中有没有掺假呢?如果能测出王冠的体积,再与同等重量纯金的体积做比较,就可以知道金匠有没有捣鬼。但是有什么办法能在不破坏王冠的前提下测量出王冠的体积呢?这个问题不仅难倒了国王,也使诸大臣们面面相觑。

后来,国王请阿基米德来检验。最初,阿基米德也是冥思苦想而不得要领。一天,他去澡堂洗澡,当他坐进澡盆里时,看到水往外溢,同时感到身体被轻轻托起。他突然受到启发:盆里溢出来的水的体积,不就是自己的身体浸入水里的那一部分体积吗?

他经过了进一步的实验以后来到王宫。他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多,这就说明王冠的体积比相同重量的纯金体积大,所以证明了王冠里掺进了其他金属。

阿基米德不仅成功揭开了王冠之谜,更重要的是他从中发现了浮力定律:物体在液体中所获得的浮力,等于它所排出液体的重量。人们也将这一原理称为阿基米德原理。

那么,阿基米德是怎么从中发现浮力定律的呢?

今天我们跟随阿基米德的脚步一起来通过物理虚拟实验室探索。

我们已经知道,物体浸在液体中的体积越大、液体的密度越大,它受到的浮力越大。

现在,物体浸在液体中的体积与排开液体的体积相等,那么我们就可以表述为:物体排开液体的体积越大、液体的密度越大,它所受到的浮力就越大。

细心的你有没有发现什么?

物体体积和密度的乘积就是物体的质量。排开液体的体积越大、液体的密度越大,则排开液体的质量也就越大,这部分液体的重力当然也就越大。由此我们可以猜想浮力的大小与排开液体所受的重力密切相关。那么它们之间又具体存在什么定量关系呢?我们一起用实验来探究。

物体所受浮力的大小可以用二次称量法解决。用弹簧测力计先测出物体的重力,再测量物体浸入水中弹簧测力计的拉力,二者之差就是浮力的大小。我们用仿真实验演示一下。

测量排开水所受的重力,首先需要一只溢水杯,在溢水杯里装满水后,把物体浸入的同时,用一只小桶收集溢出的水,然后用弹簧测力计先后测量出小桶和溢出水的总重以及小桶的空重,二者之差就是排开水的重力。

然后将浮力的大小和排开水的重力大小进行比较,最后得到二者的数值相等。

最后,我们通过物理仿真实验“探究浮力大小与排开液体所受重力的关系”实验就得到了阿基米德原理:浸在液体中的物体所受的浮力大小等于它排开的液体所受的重力。

阿基米德不仅是个理论家,也是个实践家,他一生热衷于将其科学发现应用于实践,从而把二者结合起来。直至今天,人们还在利用阿基米德原理计算物体比重、测定船舶载重量等。

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