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水的浮力和潛水員的穩性、水的浮力 （一）浮力的概念 把一塊木板放入水中，它會浮在水面，用彈餐秤稱一個浸在水里的物體，其重量比在空氣中稱的重量 輕。這些事實說明浸在液體中的物體會受到一個向上的力。這種方向向上的托力，稱為液體的浮力。 浮力是怎樣產生的呢？ 我們將一個正方體放入盛水的容器中，見圖21設A、 B兩 面平行于水面。A 面到水面的深度為h。B 面到水面的深度為 ho。 從中可以看出側面 C和D，E和F處于同一深度，故彼此受到 的靜水壓力大小相等，方向相反，互相抵消。但A 面和B面則不 C B 同，根據 2-1 式可知，B面壓強大于 A面壓強。即： Pgh2> pgh, E 設A、B面的面積分別為 s，顯然B面的壓力一定大于 A面 式中：D一物體受到的浮力，N 8一重力加速度，N/kg p一液體的密度，kg/m3 V一物體排開液體的體積， m 對于純水，如果口的單位用KN，g取9.8Nkg，則2-3式可簡化為 D=9.8V(kN) (2-4) （三）物體的沉浮 一塊鋼板放入水中會沉到水底，但是用鋼板制造的船卻可漂浮在水面。為什么會有這種現象呢，原來， 沒在水中的物體除受到向下的重力 W外，還受到向上的浮力 D，見圖2-2。物體的沉浮是由D和 W共同 作用的結果。 當 W=D時，合力DW=0，此時物體可以在液體內部任何位置平衡。我 們把物體的這種狀態叫懸浮狀態（也叫中性狀態)。 當 D>W 時，合力 D-W>0，方向向上，物體會溧浮在水面，我們把物體 D 的這種狀態叫漂浮狀態（也叫正浮力狀態）。 當 D-W 時，合力 W-D>0，方向向下，物體會沉到水底，我們把物體的 這種狀態叫下沉狀態（也叫負浮力狀態)。 W 顯然，在水中的物體只能處于這三種狀態中的一種。我們調節D和W 的大小。可以改變物體的沉浮狀態（簡稱為浮態)。 圖 2-2 水中物體受力圖 對物體的浮態進一步分析，實際上決定物體匯浮的因素是物體和液體各自的平均密度。當物體的平均 密度等于液體的密度時，星懸浮狀態，當物體的平均密度小于液體的密度時，呈漂浮狀態：反之，星下沉狀態。 例22 欲把一個邊長為 15cm 的正方體鋼塊(密度 p=7.8kg /cm’>從水底打撈出水，至少需多大的力？ 解：鋼塊在水中分別受到向上的浮力 D 和向下的重力 w，打撈所需的力是它們間的合力。 D=9.8V=9.8x0.15°=0.033(kN) =33 (N) W=gpV=9.8x78×0.15°=0.258(kN)=258(N) W-D=258-33=225(N) ?至少需 225N 的力才能將鐵塊打撈出水面。 （四）潛水員的沉浮原理 潛水員在水中的沉浮和一般物體在水中單純的沉浮有所不同。一般物體在水中的浮態完全取決于物體 所受到的浮力和自重的差值，這個差值是固定不變的，故只能處于三種浮態中的一種。 一般物體的沉浮可 以稱做重力沉浮。潛水員和魚類在水中的沉浮相類似。 我們知道魚類在水中的沉浮，一方面通過腹內的鰾， 改變自身的排水體積，從而改變浮力和自重的差值，達到沉浮目的，這屬于重力沅浮。另一方面，運用尾 和鰭的推力達到潛游和浮游的目的，這種沉浮稱做動力沉浮。 潛水員在水中的匯浮，一種是重力沉浮，一種是動力沉浮。重潛水屬于重力沅浮，重潛水運用了壓重 物（如壓鉛），結合調節潛水服內的空氣墊，使重力和浮力的差值可以在較大范國內任意調整，達到沉浮 目的。
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大氣的壓強 大氣的壓力，是指大氣層中空氣對地球表面的壓力。 大氣壓力是由大氣的重量所引起的。空氣雖然無形無色，但它是由具有重 量的各種物質組成。早在 17世紀，伽利略就發現空氣具有重量。 單位面積地面所承受的大氣壓力叫做大氣壓強。大氣的壓力究竟有多大 水銀 呢？由于大氣層的體積巨大無比，顯然無法用衡器來稱量。17 世紀 40 年代意大利科學家托利拆利根據伽利路實驗的啟發，決定測定大氣的 重量。 托里拆利用一根長一米，口徑一平方厘米， 一端密封的玻璃管，裝滿水銀 （水銀的密度為水的 13.6 倍)。 用一個手指將開口的一端密封，然后將玻璃倒 置并插入裝有水銀的槽內。移開手指，玻璃管內的水銀下降，當達到距槽中的 圖2-3 托里塞利試驗 水銀液面高度為 760mm 時，水銀停止下降，并一直保持這一高度（圖 2-3)。 托利拆利實驗說明，壓在槽內上方空氣的重量等于 760mm 水銀的重量。 后來，法國科學家帕斯卡重復了托利拆利試驗。他證明：只要截面面積相同，地球上高達幾千公里的 空氣柱重量與 10m 海水水柱的重量近似相等。 根據上面結論，我們可以計算出， 一平方厘米的地面，其上空的大氣重約為 1.033 6kg。 地球表面大 壓強約為 0.1013MPa. 地球表面大氣壓強的值并非恒定不變的，它隨天氣，海拔高度等因素有關，但地球表面大氣壓強的值 波動范國很小，并且國繞0 1013MPa 波動。當大氣壓強值等于 0.101 3MPa 時，我們稱之為標準大氣壓。 潛水作業有關計算中，不考慮大氣壓強值的變化，并用0.1MPa 作為大氣的壓強值。 濕度 空氣中含有水蒸汽，潛水混合氣中也會有一定量的水蒸汽。水蒸汽是水的氣態形式，它也遊循氣體六 律。 大氣中水蒸汽的含量叫做濕度。溫度大則表明空氣中所含水分多。潛水員呼吸氣體中應含適量的水 汽，這樣可以滋潤人體組織。但是如果溫度過大，潛水員會感覺不適，且當水蒸汽冷凝為水時，可引起 氣軟管和裝具中的氣路結冰堵塞，使潛水員面窗模糊。果我們將一定量的水裝入一個廣口瓶，然后將瓶密封，這時由于水分子的運動， 一部分水將蒸發到 方的氣體中，同時氣體中一部分水蒸汽將回到瓶內水中。 水將持續蒸發，終將會出現離開液體表 蒜汽分子數與返回水中的分子數相等的平衡狀態，此時稱之為瓶內上空空氣己被水蒸汽飽和。 度與水蒸汽的分壓有關，而水蒸汽的分壓與液態水的溫度有關。當水溫和水面氣溫上升時，更多的 將蒸發到氣體中，直至達到更高的水蒸汽分壓的平衡狀態。如果水和氣體溫度降低，那么氣體中的 將凝結為液態水，直至出現較低的水蒸汽分壓的平衡狀態。所以一種氣體中水蒸汽所能達到的 決于這種氣體的溫度。水蒸汽飽和時的溫度叫露點。 體中水蒸汽的含量通常用 濕度和相對濕度表示。 對濕度是指單位體積的混合氣體中水蒸汽的質量。 對濕度是指混合氣體中水蒸汽的質量與同一溫度下該混合氣被水蒸汽飽和時的水蒸汽質量之比。用 表示。 顯然，相對濕度的值在 0~之間。 研究濕度時，還常用到濕球溫度和干球溫度的概念。千球溫度為氣體的實際溫度。濕球溫度是氣體 飽和（露點）的溫度。只有在相對濕度為 時，兩種溫度才相等，否則，濕球溫度總是低于干 度在常規潛水中對潛水員的影響并不大，但在飽和潛水中，因潛水員長期居住在飽和深度的高壓環 濕度對潛水員有一定彤響。一般相對濕度應控制在 50%~70%范圍內。若相對濕度過高，潛水員會 潮濕，并容易引起細菌，特別是程菌感染，若相對濕度過低，潛水員會感覺干燥，并使二氧化碳吸 率降低。
光在水中傳播的特點及對潛水員的影響 （一）光在水面上的反射 光線從空氣射入水面時有一部分光會被反射回空公里，反射的程度與光線的入射角有關，入射角愈小， 反射光的量愈小，反之則愈大。對于白天來說，中午時太陽光的入射角為零，反射光的量極少，此時水下 照度 。當入射角小于 30°時，反射光約為入射光的 2%：當入射角為 75°時，反射光可達 21.8%。當夕 陽光線照在水面時，入射角幾乎為 90°，反射光幾乎達 ，此時水下照度很差，潛水員在水質良好的淺 水中也不能看清水下物體。 (二）光在水中的散射 水中含有大量的懸浮顆粒，當光照射到這些外表凹凸不平的顆粒時，光線將向各個方向反射，我們把 這種現象叫做光在水中的妝射。水的透明度越差，其妝射的程度越嚴重。散射的結果使原為直線傳播的光 交為雜亂無章的背景光，潛水員觀察到的物體變得模糊不清。 （三）光在水中的吸收 光是具有一定速度的光 子流，當光線在水中傳播時，因與水分子及恐浮顆粒的摩擦作用，使其部分能 量轉交為提高水溫的熱能，我們把這種能量的轉變稱為水對光線的吸收。水對光線的吸收量比空氣大千倍 以上。 水越混濁對光的吸收量越大。在清澈的淺水中，經妝射和吸收后的自然光可以使潛水員看到幾十米 外的物體，但是在混濁嚴重的水城，潛水員會像盲人一樣什么也看不到。此外，水面的自然光進入水中后， 隨著水深的增加，光的吸收量隨之劇增，達到一定水深后，所有光都會被水吸收掉，此時水下漆黑一團， 潛水員什么也看不見。 (四）空間祝覺的改交 潛水員在水中空間視覺改變的特點是放大、 位移和失真。 這是因為光從水中進入空一時發生折射現款以及人們習慣于你覺直線光所致。 水下物體看上去顯得大 些，其比例為 4（看到的）比3（實際的），距離顯得近些，約為實際距高的 3/4。失真是由于來自水下物 體的光線，在水和空氣界面上的入射角不同，因而折射角也不同所致。離眼近的光線入射角小，折射角也 小，以致同一物體的各個部位的放大比例不同。于是造成失真。 （五）水下色覺的改交 由于陽光射入水后，按光的波長顧序，隨著水深的增加逐漸被吸收。所以在水中，物體的顏色隨深度 而異。長波光先被吸收，短波光后被吸收。例如，紅色光在 1m 水深左右就被吸收掉，橙色光和黃色光則 分別在 5m 和10m 水深被吸收掉。而水深達 20m 時，僅存藍綠色光，其它顏色的光都被水吸收掉了，這時， 潛水員看到的多數物體交成藍色，而紅色物體則星黑色。當水深再增加到一定程度時，所有顏色的光都梅 被水吸收掉，這時，水下沒有任何光線，潛水員也就不能吞到物體了。
水下低溫對潛水員的影響.熱傳遞的概念 物質的分子運動所產生的能量，叫熱能，簡稱熱。熱與溫度密切相關，但是具有相同溫度的物質所含 的熱能并不一定相等。所以熱和溫度是不同的概念。 熱的單位是J。 質量為 北g 的物質，溫度升高 1C度所需要的熱量，叫該物質的比熱。比熱的單位是J/ Ckg ? C). 氣體與固體和液體不同，由于它的分子間距離較大，所以吸熱時，體積和壓強都會明顯增大。因此對 氣體比熱影響較大，在研究氣體的比熱時，必須分別從壓強和體積中，取其一個為恒量，另一個為交量來 研宄。壓強不變時叫等壓比熱，體積不變時叫等容比熱。等壓比熱大于等容比熱。例如：空氣的等壓比熱 為 1005 J/(kg ? C)，等容比熱為 712 J(kg ?C)。各種氣體的比熱見表2-3。 常用氣體的比熱 J/(kg.C) X22-3 氣結名豬 等樂比＄ 1 005 eC 921 X 1 047 14 277 氣 $ 234 一餐化碳 837 一氧化歡 1 047 大滋義 1 842 * * H. 19 712 670 754 10 090 3 140 628 754 1382 熱能可以從一個物體傳遞到另一個物體上，這個過程就叫熱傳遞。 熱傳遞有三種方式：傳導、對流和輻射。 通過物體直接接觸來傳遞熱量的方式叫傳導。 通過被加熱流體（氣體、液體）的遠動來傳遞熱量的方式叫對流。 通過電磁波傳遞熱量的方式叫熱輻射。 物質的熱傳導性能通常用導熱系數來裝示。 導熱系數小，則熱傳導性能差，保溫性能好：導熱系數大 則熱傳導性能好，保溫性能差。氣體的導熱系數見花 2-4。 勞用氣答的導熱系效 裘2-4 華名務 0O時的導熱系數 w/(m-C) 3: 0.022 3 M 0.023 3 * 0.022 8 勻 0.157 9 気 " 0.132 1 二氧化改 0.013 7 O5 1.02 7.12 6.23 0.61 物質的熱傳逆性能與其密度成正比，密度越大，單位時間內傳逆的熱量越多。二、水下低溫對潛水員的影響 潛水員在寒冷的水中作業時，將通過傳導和對流的方式散失大量的熱量。由于水的導熱系數比空氣大 得多，故潛水員主要通過傳導方式散失熱量。 潛水員感到舒適的水溫下限約為 21°C。低于這個溫度時，潛 水員會感到寒冷，此時，僅穿游泳服的潛水員向水中的散熱超過自身體內的熱代償。受冷的潛水員不可能 有效地工作，思維也會受到影響，并且易誘發減壓病，嚴重時甚至會凍僵致死。潛水服所用材料為導熱系 數低的熱的不導體，穿著潛水服可保持潛水員的體溫。在寒冷的水中長時間作業時常需要使用較厚的潛水 服、干式潛水服或熱水服，不同水溫對潛水的影響和防寒要求見圖 2-4。 圖2-4 不同水溫對潛水的彩響和防寒要求圖 因為氣體的熱傳遞性能與它的密度成正比，所以隨者水深的增加，水壓力增大，通過氣體絕熱屏障的 散熱和通過呼吸向四周環境的敢熱會明顯增加，如果呼吸的是高導熱系數的氫氧混合氣（導熱系數為空氣 的 6倍），散熱將更多。 呼吸氦氧混合氣時，在0.IMPa 時，僅呼吸散熱一項就占身體產熱量的 10%，,0.7MPa 時，增加至 28%，2.1MPa 時，達到 50%。同時隨著水深的增加，水壓力將潛水服壓縮，潛水服密度變大, 其絕熱保暖功能大幅下降。例如一件普通的濕式潛水服在 50m 水深時，其絕熱保溫能力僅相當手 10m 水 深時的 40%。在上達情況下，僅依靠普通潛水服不能保持體溫，必領向身體表面和呼吸氣體補充一定的熱 量，比如可以穿著熱水服和對呼吸氣體加熱等。
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