冰水交互之迷
2024-11-26 17:46 今日文教周刊 黃東曉
浙江省浦江縣月泉中學 黃東曉
在自然生活中，水結冰，冰融化，是學生常見的物理現象。那么在物理教學中，我們應該如何引導學生理解，液體中冰塊熔化，導致液面升降的問題。我們可用物體的重力和浮力的關系，從而推斷液面升降。
一、冰塊浮在水面上，熔化后液面將不變（圖1)
解答：V排=F浮/ρ水g=G冰/ρ水g=m冰/ρ水
冰熔化成水的體積V水=m水/ρ水=m冰/ρ水
V排=V水，液面高度將不變
變式一：冰塊（內含鐵釘，密度比水大的物體）在水面熔化時液面高度下降（圖2）。
解答：冰在水面熔化時，液面高度不變，鐵釘下沉。鐵釘的浮力比在水面時變小，排開的水的體積減小，液面下降。
變式二：冰塊（內含泡沫，密度比水小的物體）在水面熔化時液面高度不變（圖3）。
冰在水面熔化時，液面高度不變。泡沫漂浮，泡沫的浮力不變，排開的水的體積不變，液面高度不變。
變式三：冰塊（內含氣泡，密度為零的物體）在水面熔化時液面高度不變（圖4）。
冰內氣泡的位置可移到邊上，看成一塊邊上有一缺口的冰，冰在水面熔化時，液面高度不變。
變式四：冰塊（內含水，密度與水相等的物體）在水面熔化時液面高度不變。
冰在水面熔化時，液面高度不變，氣泡內的水在水中懸浮，浮力不變。排開水的體積不變，液面高度不變。
二、冰塊浮在鹽水中，熔化后液面將上升
解答：V排=F浮/ρ鹽水g=G冰/ρ鹽水g=m冰/ρ鹽水
冰熔化成水的體積V水=m水/ρ水=m冰/ρ水
V排<V水，液面高度將上升
解釋厄爾尼諾現象，全球氣溫升高，冰山熔化，海平面上升。
三、冰塊沉在油下，熔化后液面將下降
解答：V排=V冰=m冰/ρ冰
冰熔化成水的體積V水=m水/ρ水=m冰/ρ水
V排>V水，液面高度將下降
引：封閉的河道內，有一艘載有貨物（密度為ρ物）的輪船，若把船中的貨物卸入河中，那么河中的水面將上升、下降還是不變呢（圖5）
釋：ρ物>ρ水，物體下沉，水面下降
ρ物=ρ水，物體懸浮，水面不變
ρ物<ρ水，物體漂浮，水面不變
