初中物理备课参考：我国古代对浮力的认识及应用

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我国古代对浮力的认识及应用
湖北省枣阳市兴隆二中　谢江涛　亢　锋
　　对浮力的认识和应用，是古代流体力学研究的重要内容。在这方面，中国古代劳动人民积累了丰富的实践经验。



　　一、应用浮力定性判定物体质量分布是否均匀


　　早在先秦时期，古人就对物体的浮沉特性有所认识，并在生产实践中有十分巧妙的应用。例如在《考工记·矢人》篇中，“矢人”在确定箭杆各部分的比例时，采用的方法是： “水之，以辨其阴阳；夹其阴阳，以设其比；夹其比，以设其羽。”


　　就是说，把削好的箭杆投入水中，根据箭杆各部分在水中浮沉情况，判定出其相应的密度分布，根据这一分布来决定箭的各部分的比例，然后再按这个比例来装设箭尾的羽毛。这种根据箭杆各部分浮沉程度判定其相应质量分布的方法是合乎科学的，也是十分巧妙的。


　　《考工记·轮人》篇在规定车轮的制作规范时，也应用了水的浮力。为确保车轮“揉辐必齐，平沈必均”，“轮人”采用的办法是：“水之，以眡其平沈之均也。”意思是说，要测量木制轮子各处质量是否均匀，只要把它放在水中，测量其各处浮沉程度是否一致即可。如果浮沉程度一致（“平沈”），轮子各处质量分布必然是均匀的（“必均”）。



　　二、应用浮力定量测定物体的重量



　　三国时期有个神童叫曹冲，是曹操的儿子，他曾经提出“以舟称象”。据《三国志》记载：“冲曰：‘置象大船之上，而刻其水痕所至，称物以载之，则校可知。’”曹冲说：把大象赶到船上，记下船在河中下沉的位置；然后，将大象拉上岸，把石头陆续装入船中，直到装载石头的船下沉到刚才那个记号为止，再分别称出船中石头的重量，石头的总重就是大象的重。曹冲称象的方法，正是浮力原理具体运用。



　　三、应用浮力起重



　　大约在殷商时期，我们的祖先就开始认识和应用浮力了，是世界上应用浮力最早的国家之一。当时是利用较大的独木，从中间挖成槽形，放在江河的水中漂流，称为独木舟。周朝以后浮力得到进一步应用，不仅木船已普遍使用，还学会了将很多船连在一起，上铺木板架成浮桥，浮桥是我国古代历史上应用浮力的伟大奇迹。



　　以舟起重也是中国人的发明，相传在11 世纪初，在蒲州附近潼关以北在黄河上架起一座很大的浮桥，浮桥的缆绳用8只铁牛系住，这些铁牛立于两岸，每只铁牛重数万斤。后来由于洪水泛滥，浮桥被冲垮，铁牛也沉入河中。如何把铁牛打捞起来，在当时的条件下，是比较困难的。和尚怀丙派人潜入水中，用铁索把铁牛和两只装满泥土的大船系在一起，然后再船中的泥土除去，利用大船所受的浮力，把铁牛拉上来。怀丙是中世纪伟大的工程力学家。他创造的浮力起重法，曾在十六世纪由意大利数学家卡丹用于打捞沉船。



　　四、利用物体的沉浮原理估测液体的密度



　　在我国的宋、元时代，密度的测定主要是和古代的制盐业密切联系的，即由于估测盐水的需要，发展了液体密度的测量技术，为晒盐业提供了条件。11世纪，姚宽在台州做官时，为了检查盐商是否舞弊，他首创了一种简单的估测盐水密度的方法。选用体积大体相同，而质量不同的莲子十粒，当把莲子放在盐水中时，如果这些浮沉子──莲子有5粒以上浮起，说明盐水是最浓的；如果有三四粒莲子浮起，说明此盐水是浓盐水；如果不足3粒莲子浮起，说明此盐水是稀盐水。到了元代，经进一步改进，制造了便于携带的简单装置。取四个莲子，分别用四种不同浓度的盐水浸泡，放在一个竹筒内，便成为简单的测定盐水浓度的装置。如果要测某种盐水的浓度，只要把待测盐水的一小部分装入筒内，观察各类莲子浮起的情况，便可以估测盐水的浓度。到了明代，测定盐水浓度的方法进一步简化，选一粒轻重合适的莲子，放在竹筒内，当把待测的盐水放入竹筒中时，如果莲子浮在水面上成横倒形，则盐水最浓；如果成垂直形，则盐水次浓；如果莲子沉而下浮，则盐水不浓。我国古代这种简单估测盐水浓度的方法，与现代密度计的原理相似，这说明我国古代对浮力的研究与应用已经相当深入了。



　　我国汉代曾发明过一种做军事信号用的灯笼——孔明灯。之所以叫孔明灯，一来是做出来后的天灯有点像孔明先生所戴的帽子，二来民间传说是孔明发明的。它的结构可分为主体与支架，主体大都以竹篦编成，次用棉纸或纸糊成灯罩，底部的支架则以竹削成的篦组成。在灯笼的下面放一个小碟，盛上松脂．点燃松脂时，灯笼扎就能腾空而起，飞向天空。其工作原理是热空气比冷空气轻，与热气球一样，只是这种放飞方法更简单，操作更方便。现代人放孔明灯多作为祈福之用。男女老少亲手写下祝福的心愿，象征丰收成功，幸福年年。