[物理专题]经典浮力题目的Fh图像绘制

news2024/11/15 15:53:44

这段代码用于绘制物体在液体中受到的浮力变化的图像，它有多个好处：

直观展示数据：通过图形化展示，可以直观地看到物体在液体中浸入深度与受到的浮力之间的关系。
教育和学习工具：这种类型的图像常用于教育目的，帮助学生理解浮力原理和阿基米德原理。
实验数据可视化：如果数据来自实验测量，这种图像可以展示实验结果，便于分析和讨论。
参数调整：通过调整代码中的参数，可以模拟不同条件下的浮力变化，有助于理解不同因素（如物体密度、液体密度、物体形状等）对浮力的影响。
科研和工程应用：在设计和测试涉及流体动力学的设备时，这种图像可以帮助工程师和科学家预测和优化设备性能。
交互性：虽然当前代码是静态的，但 Matplotlib 支持交互式图表，可以进一步开发以允许用户通过交互来探索不同参数对结果的影响。
易于分享和发布：生成的图像可以轻松地嵌入到报告、演示或网页中，便于分享和交流。
代码的可重用性：这段代码可以作为一个模板，用于绘制其他类型的物理量随某个参数变化的图像，具有很好的可重用性。
细节控制：通过调整 subplots_adjust 和 title 等函数的参数，可以精确控制图像的布局和样式，以满足出版或展示的需求。
扩展性：Matplotlib 提供了丰富的定制选项和扩展包，可以进一步扩展图像的功能，如添加图例、注释、网格线、颜色和样式等。

总之，这段代码不仅能够生成有用的科学图像，还提供了一个灵活的平台，用于探索和展示物理现象。

在这里插入图片描述

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 设置matplotlib绘图时使用中文和特殊字符
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号

# 已知参数
g = 9.8  # 重力加速度, m/s^2
rho_water = 1000  # 水的密度, kg/m^3
initial_force = 12  # 初始弹簧测力计示数, N
force_when_submerged = 4  # 物体完全浸没后的弹簧测力计示数, N

# 计算完全浸没时的浮力
full_buoyancy = initial_force - force_when_submerged

# 计算部分浸入时的浮力（直接使用高度比例计算）
def partial_buoyancy(h):
    if h <= 0.03:  # 物体还未浸入水中
        return 0
    elif 0.03 < h <= 0.07:  # 物体部分浸入水中
        return (h - 0.03) / (0.07 - 0.03) * full_buoyancy
    else:  # 物体完全浸没
        return full_buoyancy

# 计算弹簧测力计的示数
def force_reading(h):
    F_buoyancy = partial_buoyancy(h)
    return initial_force - F_buoyancy

# 物体浸入水中的深度范围
h_values = np.linspace(0, 0.09, 100)  # 从0到9cm，转换为米

# 计算弹簧测力计的示数
F_values = [force_reading(h) for h in h_values]

# 绘制图像
plt.figure(figsize=(12,7))  # 设置图像大小
plt.plot(h_values, F_values, label='力随高度变化')

# 标记起点、拐点、终点
plt.scatter(0, initial_force, color='red', label='起点(A): 0 m, {:.1f} N'.format(initial_force))
plt.text(0, initial_force + 0.5, 'A', ha='center', va='bottom')

plt.scatter(0.03, force_reading(0.03), color='green', label='拐点(B): 0.03 m, {:.1f} N'.format(force_reading(0.03)))
plt.text(0.03, force_reading(0.03) + 0.5, 'B', ha='center', va='bottom')

plt.scatter(0.07, force_reading(0.07), color='blue', label='终点(C): 0.07 m, {:.1f} N'.format(force_reading(0.07)))
plt.text(0.07, force_reading(0.07) + 0.5, 'C', ha='center', va='bottom')

# 获取图例的宽度和高度

# 使用 bbox_to_anchor 移动图例，同时保持宽度和高度不变
plt.legend(loc='lower center', bbox_to_anchor=(0.90, -0.20), shadow=True, ncol=4)


# 添加注释框解释三段线段的含义
plt.annotate('物体初始受力', xy=(0.01, initial_force + 1), xytext=(0.05, initial_force + 1.5),
             arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
             horizontalalignment='left', verticalalignment='top')

plt.annotate('物体部分浸入水中时，受力随深度增加而减小', xy=(0.04, (force_reading(0.03) + force_reading(0.07)) / 2),
             xytext=(0.1, (force_reading(0.03) + force_reading(0.07) + 1) / 2),
             arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
             horizontalalignment='left', verticalalignment='center')

plt.annotate('物体完全浸没后，受力保持不变', xy=(0.08, force_reading(0.07)),
             xytext=(0.15, force_reading(0.07) - 0.5),
             arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
             horizontalalignment='left', verticalalignment='top')

# 设置坐标轴标签和标题
plt.xlabel('高度 (m)')
plt.ylabel('力 (N)')

plt.title('物体在水中时力随高度的变化', fontsize=16, fontweight='bold')

# 手动调整子图布局
plt.subplots_adjust(top=0.95, bottom=0.15)
plt.grid(True)
plt.ylim(0, 15)  # 设置Y轴范围为0到15N
plt.show()