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解:
(1)根据阿基米德原理,物体在水中所受的浮力等于排开水的重力,即$F_{浮}=G_{排}=0.5\ \mathrm{N}。$
(2)由$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$得,物体的体积$V=V_{排}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{0.5\ \mathrm{N}}{1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}}=5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3。$
(3)物体悬浮时,$\rho_{盐水}=\rho_{物}=\frac{m}{V}=\frac{0.055\ \mathrm{kg}}{5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3}=1.1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3。$
答:(1)物体在水中所受的浮力为0.5N;(2)物体的体积为$5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3;$(3)物体悬浮时盐水的密度为$1.1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3。$
B
解:
(1)正方体木块的体积:$V=(0.1\ \mathrm{m})^3=1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$
木块排开水的体积:$V_{排}=V-\frac{2}{5}V=\frac{3}{5}×1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=6×10^{-4}\ \mathrm{m}^3$
根据阿基米德原理,木块所受浮力:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×6×10^{-4}\ \mathrm{m}^3=6\ \mathrm{N}$
(2)木块漂浮时,$G_{木}=F_{浮}=6\ \mathrm{N}$
木块的质量:$m_{木}=\frac{G_{木}}{g}=\frac{6\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=0.6\ \mathrm{kg}$
木块的密度:$\rho_{木}=\frac{m_{木}}{V}=\frac{0.6\ \mathrm{kg}}{1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3}=0.6×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$
(3)木块完全浸入水中时,受到的浮力:
$F_{浮}'=\rho_{水}gV=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=10\ \mathrm{N}$
小圆柱体的重力:$G=F_{浮}'-G_{木}=10\ \mathrm{N}-6\ \mathrm{N}=4\ \mathrm{N}$
小圆柱体对木块的压力:$F=G=4\ \mathrm{N}$
小圆柱体对木块的压强:$p=\frac{F}{S}=\frac{4\ \mathrm{N}}{2.0×10^{-3}\ \mathrm{m}^2}=2×10^3\ \mathrm{Pa}$
答:(1)木块所受的浮力为6N;(2)木块的密度为$0.6×10^3\ \mathrm{kg/m}^3;$(3)小圆柱体对正方体木块的压强为$2×10^3\ \mathrm{Pa}。$
【分析】
1. 对于第(1)问,根据阿基米德原理,浸在液体中的物体受到的浮力等于排开液体的重力,题目中明确给出排开水的重力为0.5N,直接利用该原理即可求出物体在水中的浮力。
2. 对于第(2)问,物体沉入水底,说明物体完全浸没在水中,此时物体的体积等于排开水的体积。根据阿基米德原理的公式$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$,变形后可求出$V_{排}$,也就是物体的体积。
3. 对于第(3)问,物体悬浮时,根据物体的浮沉条件,此时物体的密度等于盐水的密度。先将物体质量换算为国际单位,再利用密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,代入物体的质量和已求出的体积,即可算出盐水的密度。
【解析】
解:
(1)根据阿基米德原理,物体在水中所受的浮力等于排开水的重力,即
$F_{浮}=G_{排}=0.5\ \mathrm{N}$。
(2)因为物体沉入底部,所以物体的体积等于排开水的体积,由$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$得:
$V=V_{排}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{0.5\ \mathrm{N}}{1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}}=5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3$。
(3)物体的质量$m=55\ \mathrm{g}=0.055\ \mathrm{kg}$,物体悬浮时,根据浮沉条件可知$\rho_{盐水}=\rho_{物}$,由密度公式可得:
$\rho_{盐水}=\rho_{物}=\frac{m}{V}=\frac{0.055\ \mathrm{kg}}{5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3}=1.1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$。
答:(1)物体在水中所受的浮力为0.5N;(2)物体的体积为$5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3$;(3)物体悬浮时盐水的密度为$1.1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$。
【答案】
(1) $0.5\ \mathrm{N}$;(2) $5×10^{-5}\ \mathrm{m}^3$;(3) $1.1×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$
【知识点】
阿基米德原理、物体浮沉条件、密度公式应用
【点评】
本题综合考查了浮力与密度的相关知识,重点考查阿基米德原理和物体悬浮条件的应用,解题过程中需要注意单位的统一与换算,属于基础题型,有助于巩固浮力和密度的核心知识点。
【难度系数】
0.7
【分析】
首先分析拉力随时间变化的图像,将运动过程分为三个阶段:0~t₁金属块完全浸没在水中,t₁~t₂金属块逐渐露出水面,t₂~t₃金属块完全离开水面。根据二力平衡,完全离开水面时拉力等于重力,可得出金属块重力;利用称重法计算浸没时的浮力;根据阿基米德原理分析露出水面过程中浮力的变化;再结合重力、浮力计算金属块的密度,逐一判断选项。
【解析】
1. 分析图像对应的运动阶段:
0~t₁时间段:金属块完全浸没在水中,绳子拉力$ F_1 = 34\ \mathrm{N} $;
t₁~t₂时间段:金属块逐渐露出水面,排开水的体积逐渐减小;
t₂~t₃时间段:金属块完全离开水面,此时拉力等于金属块的重力,即$ G = F_2 = 54\ \mathrm{N} $。
2. 逐一分析选项:
A选项:由上述分析可知金属块重力为54N,并非34N,A错误;
B选项:金属块浸没在水中时,根据称重法测浮力,浮力$ F_{\mathrm{浮}} = G - F_1 = 54\ \mathrm{N} - 34\ \mathrm{N} = 20\ \mathrm{N} $,B正确;
C选项:t₁~t₂时间段,金属块排开水的体积逐渐减小,根据阿基米德原理$ F_{\mathrm{浮}} = \rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}} $,可知金属块受到的浮力逐渐减小,C错误;
D选项:金属块的质量$ m = \frac{G}{g} = \frac{54\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}} = 5.4\ \mathrm{kg} $;
由$ F_{\mathrm{浮}} = \rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}} $得,金属块的体积$ V = V_{\mathrm{排}} = \frac{F_{\mathrm{浮}}}{\rho_{\mathrm{水}}g} = \frac{20\ \mathrm{N}}{1 × 10^3\ \mathrm{kg/m}^3 × 10\ \mathrm{N/kg}} = 2 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3 $;
金属块的密度$ \rho = \frac{m}{V} = \frac{5.4\ \mathrm{kg}}{2 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3} = 2.7 × 10^3\ \mathrm{kg/m}^3 $,D错误。
【答案】
B
【知识点】
称重法测浮力、阿基米德原理、密度计算
【点评】
本题结合图像分析金属块在水中的运动过程,需要准确判断不同阶段的受力情况,灵活运用称重法、阿基米德原理和密度公式解决问题,重点考查对图像信息的提取和物理公式的综合应用能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 第(1)问:先计算正方体木块的体积,根据题意得出排开水的体积,再利用阿基米德原理计算木块受到的浮力;
2. 第(2)问:利用木块漂浮时浮力等于重力的特点,先求出木块重力,再计算木块质量,最后根据密度公式求出木块密度;
3. 第(3)问:先计算木块完全浸没时受到的浮力,结合受力平衡得出小圆柱体的重力(即对木块的压力),最后用压强公式计算压强。
【解析】
(1) 正方体木块的体积:
$V=(0.1\ \mathrm{m})^3=1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$
木块排开水的体积:
$V_{排}=V-\frac{2}{5}V=\frac{3}{5}×1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=6×10^{-4}\ \mathrm{m}^3$
根据阿基米德原理,木块所受浮力:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×6×10^{-4}\ \mathrm{m}^3=6\ \mathrm{N}$
(2) 木块漂浮时,$G_{木}=F_{浮}=6\ \mathrm{N}$
木块的质量:
$m_{木}=\frac{G_{木}}{g}=\frac{6\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=0.6\ \mathrm{kg}$
木块的密度:
$\rho_{木}=\frac{m_{木}}{V}=\frac{0.6\ \mathrm{kg}}{1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3}=0.6×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$
(3) 木块完全浸入水中时,受到的浮力:
$F_{浮}'=\rho_{水}gV=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×1×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=10\ \mathrm{N}$
小圆柱体的重力:
$G=F_{浮}'-G_{木}=10\ \mathrm{N}-6\ \mathrm{N}=4\ \mathrm{N}$
小圆柱体对木块的压力:$F=G=4\ \mathrm{N}$
小圆柱体对正方体木块的压强:
$p=\frac{F}{S}=\frac{4\ \mathrm{N}}{2.0×10^{-3}\ \mathrm{m}^2}=2×10^3\ \mathrm{Pa}$
答:(1) 图(a)中木块所受的浮力为$\boldsymbol{6\ \mathrm{N}}$;
(2) 木块的密度为$\boldsymbol{0.6×10^3\ \mathrm{kg/m}^3}$;
(3) 小圆柱体对正方体木块的压强为$\boldsymbol{2×10^3\ \mathrm{Pa}}$。
【知识点】
阿基米德原理、物体漂浮条件、压强的计算
【点评】
本题综合考查浮力、密度、压强的计算,需熟练掌握相关公式,明确物体漂浮时的受力平衡关系是解题核心。
【难度系数】
0.6