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我国西安半坡出土了一件距今超越5000年的尖底陶器,如图1所示。这种陶瓶口小腹大,有两耳在瓶腰偏下的地方,底尖,若用两根绳子系住两耳吊起瓶子,就能从井中取水。试分析人们是怎样利用尖底陶瓶在井中取水的。
解析 该陶器在取水过程中主要体现了以下三个知识点:
①重心随着物体质量分布的变化而变化
②浮心(浮力的作用点)随着物体潜入液体的形状的变化而变化
③力矩的不平衡
当空瓶刚放入井中时,由于瓶底与水的接触面积很小,重力和浮力的作用线很难在同一条直线上,从而产生两个力矩,在这两个力矩的作用下瓶体自然倾斜,水开始进入瓶中。
在水进入瓶中的过程中,瓶的总质量发生变化,故其整体的重心要发生变化。随着瓶的总质量的增加,瓶要下沉,故瓶排开水的体积逐渐增加,根据在密度均匀的液体中,浮心在物体、液体相互接触之表面围成的几何体的几何中心上,故浮心也要变化。水进入瓶的过程可近似看做是一个缓慢过程,故可认为瓶所受到的重力与浮力大小相等。定性分析重心与浮心的变化情形,如图2所示:光滑的曲线表示浮心的变化过程,光滑折线表示重心的变化过程。经分析发现,在同一时刻,浮心总在重心左下方,所以浮力的力矩总大于重力的力矩,因此,水进入瓶中的过程中瓶要逐渐直立,当浮心移到瓶的对称轴上时,瓶体将完全直立,将瓶从水中取出。由于重心在两耳之下,用绳系住两耳,瓶体也不会倾倒。
虽然在遥远的古代,我国先民对重力的本质还未必十分清楚,但他们对重心却有了如此复杂而成功的应用,体现了我国远古时期的劳动者已经具备了很高的智慧,也体现了物理来源于生活的本质。
(栏目编辑王柏庐)
解析 该陶器在取水过程中主要体现了以下三个知识点:
①重心随着物体质量分布的变化而变化
②浮心(浮力的作用点)随着物体潜入液体的形状的变化而变化
③力矩的不平衡
当空瓶刚放入井中时,由于瓶底与水的接触面积很小,重力和浮力的作用线很难在同一条直线上,从而产生两个力矩,在这两个力矩的作用下瓶体自然倾斜,水开始进入瓶中。
在水进入瓶中的过程中,瓶的总质量发生变化,故其整体的重心要发生变化。随着瓶的总质量的增加,瓶要下沉,故瓶排开水的体积逐渐增加,根据在密度均匀的液体中,浮心在物体、液体相互接触之表面围成的几何体的几何中心上,故浮心也要变化。水进入瓶的过程可近似看做是一个缓慢过程,故可认为瓶所受到的重力与浮力大小相等。定性分析重心与浮心的变化情形,如图2所示:光滑的曲线表示浮心的变化过程,光滑折线表示重心的变化过程。经分析发现,在同一时刻,浮心总在重心左下方,所以浮力的力矩总大于重力的力矩,因此,水进入瓶中的过程中瓶要逐渐直立,当浮心移到瓶的对称轴上时,瓶体将完全直立,将瓶从水中取出。由于重心在两耳之下,用绳系住两耳,瓶体也不会倾倒。
虽然在遥远的古代,我国先民对重力的本质还未必十分清楚,但他们对重心却有了如此复杂而成功的应用,体现了我国远古时期的劳动者已经具备了很高的智慧,也体现了物理来源于生活的本质。
(栏目编辑王柏庐)