阿基米德定律是被逼出来的,同学们你们信吗?不信就由童乐福科学网小编给同学讲一讲这个物理趣味故事。
在古老的叙利亚,有一次,国王赫农王想制作一顶纯金的王冠,因为王冠是至高无上的王权的象征,便找来了全国手艺最好的金匠为他制作精美的王冠。做好后,国王疑心工匠在王冠中掺了假或者别的金属,但这顶王冠的确与当初交给金匠的纯金一样重,在外形上就更加看不出问题了。
究竟工匠有没有捣鬼呢?既想检验真假,但又不能破坏王冠,这个问题不仅难倒了国王,也使诸大臣面面相觑、束手无策。
国王便把这个难题交给了全国最聪明的人——阿基米德。最初,阿基米德冥思苦想了多日,也没有找到好的办法。有一天,他去澡堂洗澡,当他慢慢坐进澡堂时,阿基米德注意到他的胳膊浮到水面。他的大脑中闪现出模糊不清的想法。他又把胳膊完全放进水中,全身放松,这时胳膊又浮到水面。他从浴盆中站起来,浴盆四周的水位下降;再坐下去时,浴盆中的水位又上升了。他躺在浴盆中,水位则变得更高了,而他也感觉到自己变轻了。他站起来后,水位下降,他则感觉到自己重了。一定是水对身体产生向上的浮力才使得他感到自己轻了。
他望着溢出来的水,突然兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得穿,大声喊着“尤里卡!尤里卡!”(意思是“我知道了”)就跑了出去。
原来,水的外溢给了他灵感,让阿基米德想到,可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定王冠的比重。他兴奋地回到皇宫,要当着国王和工匠的面做一个实验。
王宫的大厅里挤满了好奇的大臣们,国王与造金冠的工匠也在场。大家都紧紧地注视着阿基米德的一举一动:只见他首先拿出了一块跟当初国王给金匠同样的纯金,接着取出金冠,又让人准备了两个盛满水的小盆这两个小盆又放在两个空着的大盆内。做好了这些准备,他把王冠和纯金分别放入两个小盆里,水立刻溢到了大盆中,接着,阿基米德让人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。此时,阿基米德向大家宣布道:这金冠掺了假!因为王冠的体积比相同重量的纯金的体积大。
围观的人群都发出了一阵惊叹,可是阿基米德还不满足,他仔细测量了水的重量,在一旁演算起来。最终,他利用金、银的密度和水的重量,精确的算出了工匠到底掺了多少银。当他宣布自己的结果时,那个工匠目瞪口呆,再也无话可说,被国王命人带了下去。
阿基米德出生在叙拉古的贵族家庭,父亲是位天文学家。在父亲的影响下,阿基米得从小热爱学习,善于思考,喜欢辩论。长大后漂洋过海到埃及的亚历山大里亚求学。他向当时著名的科学家欧几里德的学生柯农学习哲学、数学、天文学、物理学等知识,最后通古博今,掌握了丰富的希腊文化遗产。回到叙拉古后,他坚持和亚历山大里亚的学者们保持联系,交流科学研究成果。他继承了欧几里得证明定理时的严谨性,但他的才智和成就却远远高于欧几里得。他把数学研究和力学、机械学紧紧地联在一起,用数学研究力学和其他实际问题。保护叙拉古战役中的机械巨手和投石机等就是最生动的一个例子,有力地证明了“知识就是力量”的真理。在亚历山大里亚求学期间,他经常到尼罗河畔散步,在久早不雨的季节,他看到农人吃力地一桶一桶地把水从尼罗河提上来浇地,他便创造了一种螺旋提水器,通过螺杆的旋转把水从河里取上来,省了农人很大力气。它不仅沿用到今天,而且也是当代用于水中和空中的一切螺旋推进器的原始雏形。阿基米德在他的著作《论杠杆》(可惜失传)中详细地论述了杠杆的原理。
有一次叙拉古国王对杠杆的威力表示怀疑,他要求阿基米德移动载满重物和乘客的一艘新三桅船。阿基米德叫工匠在船的前后左右安装了一套设计精巧的滑车和杠杆。阿基米得叫100多人在大船前面,抓住一根绳子,他让国王牵动一根绳子,大船居然慢慢地滑到海中。群众欢呼雀跃,国王也高兴异常,当众宣布:“从现在起,我要求大家,无论阿基米得说什么,都要相信他!”
上面讲到的金王冠的故事,阿基米德又做了很多次试验,他把差不多同样大小的石块和木块同时放入浴盆,浸入到水中。石块下沉到水里,但是他感觉到石块变轻。他必须要向下按着木块才能把它浸到水里。这表明浮力与物体的排水量(物体体积)有关,而不是与物体的重量有关。物体在水中感觉有多重一定与它的密度(物体单位体积的质量)有关。
最终,在《论浮体》一书中,阿基米德从一些明晰的公理出发,通过严密的逻辑论证,建立了他的浮力定律。阿基米德首先假设,液体具有这样的本性,在其粒子均匀分布和连续的情况下,较少受挤压的粒子将被受挤压较多的粒子挤出去;液体中的个别粒子将受到它上面粒子的垂直压力。根据这个假设,阿基米德首先证明了静止液体的表面是球形的,且球心与地心相致。因为若不如此,液体的一部分将比另一部分受压更多。根据假设,将导致受挤压较少的液体粒子的移动,这就和静止液体的假设相矛盾。
接着,阿基米德又证明了如下命题:与液体有相同比重的物体(在体积相同的条件下与液体有相同的重量)浸入液体中时,其上表面完全不突出,但又不会沉下去多深;比重比水小的物体将浮起。
推论一和推论二合在一起就是浮力定律,又称阿基米德原理。概括起来讲就是:浸在水中的物体所失去的重量,等于它所排开的水的重量;浮体所排开的水的重量等于它自身的重量。
阿基米德的证明方法简单而深刻,以阿基米德为代表,古代的方法论也达到了最高点。浮力的大小可用下式计算:。
阿基米德发现的浮力定律在航海等领域有重要意义,密度等重要的物理概念也通过浮力定律得到发展。一直到现代,人们还在利用这个原理比重和测定船舶载重量等。现在物理学上用来测算不溶于水的、不规则的固体密度,一般都是采用这种方法。在称量出物体的质量后,将它浸没在标有刻度的容器的水中,分局前后水位高低变化可以求德它的体积,单位体积内的质量即为它的密度。事实上,在王冠一事中,纯黄金的密度是一个定值,掺杂后它的密度就变了,而阿基米德正是这样求了2次密度:
王冠密度=王冠质量/王冠体积(克/厘米³)
纯金密度=纯金质量/纯金体积(克/厘米³)
问题便迎刃而解了。
阿基米德也因为他的先进的论证方法和科学活动,一直得到各个时代科学家的高度评价。达·芬奇是阿基米德的崇拜者;伽利略以阿基米德的继承人自居。莱布厄兹评价说,了解阿基米德的人,对后代杰出人物的成就就不会再那么钦佩了。20世纪的美国数学家、哲学家怀特海说过,数学的天才同物理学的洞察力兼而有之的阿基米德,可以和在他之后的牛顿相提并论。