问题

若物体的密度小于液体的密度,则物体总是漂浮。我认为有问题 ?

回答
你提出的这个观点很有意思,也触及到了一个大家普遍容易理解但又容易忽略的细微之处。确实,如果只停留在“密度小就漂浮”这个层面,会觉得好像没什么问题,但实际情况要复杂得多。咱们就来仔细掰扯掰扯,看看为什么“密度小于液体密度就一定漂浮”这个说法,有时候会让人觉得不太对劲。

首先,咱们得回到浮力最根本的那个原理——阿基米德原理。这个原理告诉我们,浸在流体(液体或气体)中的物体,会受到一个向上的浮力,这个浮力的大小等于物体排开的流体的重力。

那么,一个物体是沉还是浮,最终是由两个力来决定的:

1. 重力(向下):这是物体本身的重量,等于物体的质量乘以重力加速度(G = mg)。质量又等于物体的密度乘以体积(m = ρ_物 × V_物)。所以重力可以写成 G = ρ_物 × V_物 × g。
2. 浮力(向上):这是液体对物体施加的力,等于物体排开的液体的重力。物体排开液体的体积,就是物体浸入液体部分的体积(V_浸)。所以浮力可以写成 F_浮 = ρ_液 × V_浸 × g。

好了,现在我们来分析一下:

情况一:物体完全浸没在液体中

在这种情况下,物体浸入液体部分的体积 V_浸 就等于物体的总体积 V_物。

如果 ρ_物 < ρ_液:
重力 G = ρ_物 × V_物 × g
浮力 F_浮 = ρ_液 × V_物 × g
因为 ρ_液 > ρ_物,所以 F_浮 > G。浮力大于重力,物体会向上运动,直到部分露出水面,浮力减小到等于重力为止。所以,在这种情况下,物体一定会漂浮。

如果 ρ_物 > ρ_液:
重力 G = ρ_物 × V_物 × g
浮力 F_浮 = ρ_液 × V_物 × g
因为 ρ_物 > ρ_液,所以 G > F_浮。重力大于浮力,物体会向下沉。

如果 ρ_物 = ρ_液:
重力 G = ρ_物 × V_物 × g
浮力 F_浮 = ρ_液 × V_物 × g
因为 ρ_物 = ρ_液,所以 G = F_浮。浮力等于重力,物体可以悬浮在液体的任意深度。

所以,当物体完全浸没时,“密度小于液体密度就漂浮”这个结论是成立的。

但是,问题就出在“物体总是”这个词上,以及我们忽略了一些更实际的因素。我们来看看为什么会让你觉得有问题:

1. 物体是否能完全浸没?

你提到了“物体总是漂浮”,这其中隐含了一个前提:这个物体有机会在液体中自由地完全浸没,然后我们再比较它的密度和液体的密度。

想想看,有些密度比液体大的物体,它根本就不会被液体“完全浸没”到它能产生足够大浮力让它漂起来的程度。

举个例子:一块铁块(铁的密度比水大)丢进水里,它会沉到底。它没有机会把自己全部体积都浸入水中,去享受一个可能足够大的浮力。它沉下去是因为,它的一部分体积排开的水产生的浮力,不足以抵消它自身的重力。

换句话说,你说的“密度小于液体密度”是物体自身的固有属性。而“漂浮”是物体在液体中所处的一种状态。

你说的“有问题”可能在于,你想到的是那些密度本身就大于液体密度的物体,它们放在液体里会怎样?它们当然不会漂浮。而我们讨论的“密度小于液体密度”的物体,我们是在它有机会参与浮力计算的时候才去比较的。

2. 物体的形状和表面张力

在某些情况下,即使物体的平均密度小于液体的密度,它也可能不容易直接漂浮,甚至会短暂地沉没。

小物体与表面张力:想想一片小小的干树叶,它的密度比水小,应该漂浮。但如果你小心翼翼地把它放在水面上,如果操作不当,它可能会先被水“压”下去一点点,甚至短暂地“湿透”并下沉一瞬间,但最终由于它整体的密度小,它还会浮上来。水面的表面张力会形成一层“膜”,对于很轻且表面积大的物体,这个“膜”可以暂时支撑住它。但这跟“密度小就漂浮”的原理不是一回事,而是表面张力在起作用。一旦打破了表面张力或者物体被完全浸湿,浮力原理就接管了。

特殊形状的物体:虽然你的说法是关于密度,但形状也能影响浸入体积。一个非常规则、密度略小于水但形状非常奇怪(比如一个非常紧凑的小球)的物体,在初始尝试浸入时可能和密度稍大于水的物体表现相似,直到它达到一个稳定状态。但这是辅助因素,根本原因还是密度差。

3. 动态过程 vs. 静态平衡

你的说法更像是描述一个最终的平衡状态。当一个物体被放在液体里,它会根据受力情况移动,直到达到一个力的平衡状态。

如果物体密度小于液体密度,它会浮到水面上,调整自己浸入液体的体积,直到浮力等于重力。
如果物体密度大于液体密度,它会沉到最底部,因为它永远无法通过调整浸入体积来使浮力等于重力。

所以,那个“总是”就成了问题的关键。如果一个物体因为各种原因(比如它根本放不进去,或者它被外部力量压着),没有机会通过调整浸入体积来达到浮力等于重力的平衡状态,那它就不能算是在“漂浮”。

总结一下,为什么“密度小于液体密度就总是漂浮”这个说法会让人觉得有问题:

1. “总是”这个词太绝对了:它忽略了物体需要有机会被浸入液体中进行受力比较这个前提。有些密度比液体大的物体,根本就不会让你比较它的浮力。
2. 忽略了表面的其他力:对于非常轻的物体,表面张力在初期可能会产生一些“辅助”效果,但根本的浮沉还是由密度差决定。
3. 混淆了固有属性和动态过程:密度是物体的属性,而漂浮是物体在液体中达到的一种受力平衡状态。物体需要一个过程去达到这个状态。

更严谨的说法应该是:

当一个物体能够自由浸入液体中时,如果其自身的密度小于液体的密度,它最终会达到一个漂浮的状态,即部分浸入水中,直到其排开液体的重力等于它自身的重力。
如果一个物体的密度大于液体的密度,它将沉入液体底部,因为即使完全浸没,其排开液体的重力也小于它自身的重力。

所以,你感觉到的“有问题”,很有可能就是因为你体会到了那个“总是”的绝对化,以及我们实际生活中观察到的各种物体(包括那些密度比水大的)的表现。它们之所以不漂浮,就是因为它们的密度本身就决定了它们无法达到那个浮力平衡点。

这个问题很有意思,因为它让我们深入思考物理原理的应用场景和细节。感觉像是在玩一个找茬游戏,把那些隐藏的假设和条件都找出来。

网友意见

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“物体的密度小于液体的密度,则物体总是漂浮”。这句话描述在初高中知识范畴内,是对的。但是一旦脱离初高中知识体系,考虑真实世界的情况。比如这个“物体”是液体(包括部分固体小颗粒)。“液体”也不是普通的理想的流体,那这个行为就会非常非常复杂了.....

在远离理想刚性固体和理想流体的情况下,浮力的来源:压力差,不一定在物体动力学中占据主导。液体亲和度,表面张力,粘滞阻力甚至化学键之间的相互作用都有可能造成影响。

大剂量油和少量水混合,水会形成小水滴,粘滞阻力和亲和度会阻止水滴混合,所以水和油无法完全分离,这个场景其实有点像泡沫。又例如,往高粘滞流体(油漆)里加小石子,你会发现小石子就卡在油漆中浮不上来也沉不下去。类似的例子数不胜数,他们的共同点在于:他们都不是理想的“物体”和理想的“流体”,压力差不再是主导了。

所以,题注claim这句话是错误的结论,科学来讲没有问题。而且根据题主实验的结论,我们可以将这句话改写成:“若物体的密度小于液体的密度,除液体压力以外的所有作用力可以忽略的情况下,则物体总是漂浮”。

PS:物理定律从来没有“绝对正确,绝对普世”的表述,毕竟物理不是数学。通常而言,物理定律都会表述为:XX定律在YY的条件下,是成立的。

比如牛顿定律在低速宏观的条件下,是成立的。欧姆定律在一定温度范围内(太低超导,太高就开始非线性了),是成立的。等等等等

而更多时候我们甚至不知道YY条件是啥(比如相对论发现以前的力学),一旦发现XX定律在ZZ条件下不成立,那就是全新的物理了。这也是物理学,乃至人类探索前进的动力之一。

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