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如果往船外扔了一块石头,水面高度会发生怎样的变化?

时间:2023-09-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:如果石头很大,扔下去溅起的波浪会不会涌上湖岸?如果你力气大能把石头扔得很远,它会不会落在岸上?他首先将一块与王冠等重的黄金投入水中,记录水位上涨至何处,然后将王冠浸入水中,发现后者水位上涨的幅度比前者大。一旦石头被扔进水里,事情就会发生变化。但是,如果你往船外扔石头的时候一个不小心自己也栽进湖里,那情况就会复杂得多了……

(医学,剑桥)

当然,关于这个问题你可以设想无数种具体的情况。为什么要从船里往外扔石头?是因为刚刚收到了恋人的分手短信而一时愤懑吗?还是因为破船漏水你绝望中想要减轻船上负担好让船不致沉没?那么这块石头有多大?如果石头很大,扔下去溅起的波浪会不会涌上湖岸?如果你力气大能把石头扔得很远,它会不会落在岸上?

好吧,或许我们还是应该将其当作一个简单的物理问题来回答。如果只考虑物理因素的话,这个问题考的是阿基米德原理。科学史上有很多流传甚广但真实性存疑的逸闻趣事,阿基米德原理的发现过程就是其中的一则。阿基米德生活在公元前3世纪意大利西西里岛东部的港口城市锡拉库扎。他堪称人们对科学家刻板印象的鼻祖:日常生活永远心不在焉,总是沉浸在高深莫测的理论世界,全然忘怀琐碎的日常需求。据希腊历史学家普鲁塔克记载:“他每时每刻都在思考,总是忘记吃饭,也毫不在意自己的外表。如果情况变得实在太过糟糕,朋友们就会强行拉他去泡澡,并在浴后涂抹芬芳的润肤油。但即使是泡在浴池里,他也会沉溺于自己的世界,还在画几何图形。”

据说阿基米德就是在公共浴室泡澡的时候想到了这一原理。罗马工程师维特鲁威时隔两个世纪才为我们记录了这个故事(因此很有可能并不真实),讲述锡拉库扎的希伦王曾经拿出一块金子要求金匠打造一顶王冠。王冠制成以后十分精美,但是国王怀疑狡诈的金匠私吞了黄金,用便宜金属代替了部分黄金原料。但是王冠的重量和之前交出去的金块重量分毫不差,即使金匠有私吞行为又该如何证明呢?于是国王找到阿基米德,要求他解决这个难题。有一天,阿基米德坐在浴池中继续苦思冥想,无意中注意到自己身体没入水中的部分越多,浴池的水面就升得越高。

当然,阿基米德不是那种会费心劳神先围上浴巾或披上浴袍的人,所以他直接从浴池里跳出来,赤身裸体地穿街过巷奔向王宫,还一边跑一边高声惊呼:“尤里卡!尤里卡!(我想到了!我想到了!)。”仅从戏剧效果看,这一幕绝对完胜英超联赛的最佳进球狂奔秀,也完胜牙买加百米飞人博尔特在赛道上闪电般的身姿。

维特鲁威在书中详细解释了阿基米德对王冠的验证过程。他首先将一块与王冠等重的黄金投入水中,记录水位上涨至何处,然后将王冠浸入水中,发现后者水位上涨的幅度比前者大。这就意味着王冠的体积大于同等重量黄金的体积,因此王冠不可能为纯金所制。于是不幸的金匠就被国王下令处死了。

一千八百年以后,意大利物理及天文学家伽利略对这个故事提出了质疑。他认为故事虽然不失巧妙和新颖之处,但是像阿基米德这种苛求精确且具一丝不苟科学精神的人似乎不大可能用这种不大可靠的方法来证明一个人命关天的问题。总之,不论这个故事是真还是假,阿基米德的确贡献了物理学中有关浮力以及物体为什么会漂浮等一系列具有划时代意义的发现,其中最重要的一个原理就是物体在水中的重量低于其在空气中的重量。当一个物体被放置在水中,其重量会将它向下拉,但水的浮力会将它向上推,而浮力的大小等于该物体排开水的重量。由于没入水中的物体周围受到水的压力会形成一种向上的力,所以当船只浸入水中的时候会先向下沉,当船身重量等于水向上的推力时,船只就会浮在水面上。重量小于排水量的物体能够漂浮在水面,重量大于排水量的物体就会下沉。阿基米德向世人证明了这其中准确且不难计算的数学关系。

本面试题考的是入水物体的重量和排水量之间的关系。钢铁制造的船之所以能够浮在水面上,是因为虽然钢铁本身因为密度过大所以在水里浮不起来,但因为船体是中空的,船只的体积很大,可以排开很多水,所以形成了足够大的向上浮力,足以承托钢铁船体的重量。

本面试题的难点也正在此处。当石头放在船上的时候,船的重量有所增加,船所排开水的重量等于船加石头的总重量。换言之,石头在船里的时候排水量和重量相等。

一旦石头被扔进水里,事情就会发生变化。首先我们假设这不是一块浮岩,因为浮岩重量较轻所以可以浮在水面上;普通的石头则会一直沉到湖底,虽然下沉的过程中会惊动几条小鱼,一旦全部浸入水中,其排水量就不再等同于其自身重量,而是等同于自身体积。鉴于石头的密度比水大,因此排水量会减少,这就意味着湖面的整体水位会略有下降,因为相比石头放在船里的情况,石头沉在湖底的时候船只和石头的排水总量略小。但是,如果你往船外扔石头的时候一个不小心自己也栽进湖里,那情况就会复杂得多了……

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