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(c)
深度
(c)
(e)
【分析】
要解决这个问题,我们需要结合阿基米德原理和物体浮沉条件来思考:首先明确鸡蛋的重力是不变的,然后通过分析不同液体密度下鸡蛋受到的浮力大小,对比浮力与重力的关系,就能判断鸡蛋的浮沉状态。具体步骤为:先观察鸡蛋在清水中的现象,再分析加盐过程中液体密度变化对浮力的影响,最后分析加清水后液体密度变化的影响,每一步都用阿基米德原理F浮=ρ液gV排来推导浮力与重力的大小关系。
【解析】
一、观察到的现象
1. 鸡蛋放入清水中:鸡蛋会下沉,最终沉在容器底部。
2. 逐步往清水中加盐并搅拌:鸡蛋会慢慢向上浮起,最终漂浮在盐水表面。
3. 往盐水中倒入清水:鸡蛋会从漂浮状态逐渐下沉,最终可能沉回容器底部。
二、用阿基米德原理分析浮沉
设鸡蛋的重力为$G$,鸡蛋的密度为$\rho_{蛋}$,体积为$V_{蛋}$,则$G = \rho_{蛋}gV_{蛋}$。
1. 清水中的下沉:
清水的密度$\rho_{清水} < \rho_{蛋}$,鸡蛋完全浸没在清水中时,排开液体的体积$V_{排}=V_{蛋}$。根据阿基米德原理,鸡蛋受到的浮力$F_{浮1}=\rho_{清水}gV_{排}=\rho_{清水}gV_{蛋}$。
因为$\rho_{清水} < \rho_{蛋}$,所以$F_{浮1} < \rho_{蛋}gV_{蛋}=G$,浮力小于重力,鸡蛋下沉。
2. 加盐过程中的上浮:
随着食盐加入,盐水的密度$\rho_{盐水}$逐渐增大。鸡蛋未上浮时,$V_{排}=V_{蛋}$,浮力$F_{浮2}=\rho_{盐水}gV_{蛋}$逐渐变大。当$\rho_{盐水} > \rho_{蛋}$时,$F_{浮2}=\rho_{盐水}gV_{蛋} > \rho_{蛋}gV_{蛋}=G$,浮力大于重力,鸡蛋上浮;当鸡蛋漂浮在盐水表面时,$V_{排}$减小,此时$F_{浮2}=G$,鸡蛋保持静止。
3. 加清水后的下沉:
往盐水中加入清水后,混合液体的密度$\rho_{混合液}$逐渐减小。初始时鸡蛋漂浮,$F_{浮3}=G$,随着$\rho_{混合液}$减小,为维持浮力等于重力,$V_{排}$会逐渐变大;当$\rho_{混合液} < \rho_{蛋}$时,即使$V_{排}=V_{蛋}$,浮力$F_{浮3}=\rho_{混合液}gV_{蛋} < \rho_{蛋}gV_{蛋}=G$,浮力小于重力,鸡蛋下沉。
【答案】
1. 鸡蛋放入清水中:下沉至容器底部;
2. 逐步加盐搅拌:鸡蛋逐渐上浮,最终漂浮在盐水表面;
3. 往盐水中加清水:鸡蛋从漂浮状态逐渐下沉,最终沉底。
原理分析:根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$,鸡蛋重力不变。清水中$\rho_{液}<\rho_{蛋}$,$F_{浮}<G$,鸡蛋下沉;加盐后$\rho_{液}$增大,当$\rho_{液}>\rho_{蛋}$时$F_{浮}>G$,鸡蛋上浮至漂浮(此时$F_{浮}=G$);加清水后$\rho_{液}$减小,当$\rho_{液}<\rho_{蛋}$时$F_{浮}<G$,鸡蛋下沉。
【知识点】
阿基米德原理,物体浮沉条件
【点评】
本题通过直观的实验现象,结合阿基米德原理和浮沉条件分析物体的浮沉规律,既加深了对浮力原理的理解,又能联系“人浮在死海水面”的生活实例,体现了物理知识在生活中的应用,注重实验观察与理论分析的结合。
【难度系数】
0.6
【分析】
我们可以借鉴曹冲称象的等效替代法来解决该问题。排球击地时的冲击力是动态力,难以直接测量,而根据力使物体发生形变的特点:当排球击地时的形变和用手压排球至刚好覆盖水印时的形变程度相同时,说明这两个力的大小是等效的,由此可将难以测量的冲击力转化为容易测量的静态压力,通过电子秤读取对应压力值即可得到排球击地时的作用力。
【解析】
具体操作步骤如下:
1. 把纸铺在水平地面上,将浸湿的排球从固定高度竖直下落拍击在纸上(仅拍击一次),排球会在纸上留下圆形水印;
2. 将带有水印的纸平铺在电子秤上,使有水印的一面朝上,把干燥的排球放在水印中心,用手握住排球上部缓慢向下压,让排球与纸接触的部分逐渐形变,直至排球刚好完全盖住水印;
3. 记录此时电子秤的示数,该示数对应的压力大小就等于排球击在地面上时对地面的作用力。
【答案】
(1) 把纸铺在水平地面上,将浸湿的排球从固定高度竖直下落拍击在纸上(只拍击一次),在纸上留下圆形水印;
(2) 将留有水印的纸平铺在电子秤上,有水印的一面向上,把干燥的排球放在水印中心,用手握住排球上部缓慢向下压,直至排球刚好完全盖住水印;
(3) 记录此时电子秤的示数,该示数对应的压力大小即为排球击地时对地面的作用力。
【知识点】
等效替代法,力的作用效果
【点评】
本题依托曹冲称象的等效替代思想,将难以直接测量的动态冲击力转化为易测量的静态压力,考查了知识迁移与实际应用能力,体现了物理研究中转换与等效的核心方法。
【难度系数】
0.6
【分析】
这道题是探究浮力大小的影响因素,需运用控制变量法逐个分析:
1. 探究浮力与物体排开水的体积的关系时,要控制液体密度相同,改变物体排开液体的体积。图(b)中物体部分浸入水中,图(c)中物体完全浸入水中,液体都是水(密度相同),对比两者能看出排开体积不同时浮力不同,因此可得出浮力与排开体积有关。
2. 观察图(c)和(d),物体都完全浸没在水中,仅浸没深度不同,但弹簧测力计示数相同,根据称重法可知两次浮力相同,所以浮力大小与物体浸没在水中的深度无关。
3. 探究浮力与液体密度的关系时,要控制物体排开液体的体积、浸没深度相同,改变液体密度。图(c)中物体浸没在水中,图(e)中物体浸没在盐水中,排开体积和深度均相同,液体密度不同,测力计示数不同,浮力不同,因此对比这两个图可得出结论。
【解析】
1. 探究浮力与排开液体体积的关系:控制液体密度为水不变,改变排开体积,图(b)为部分浸入,图(c)为完全浸入,因此选图(c)。
2. 对图(c)和(d),根据称重法测浮力公式$F_{浮}=G-F_{示}$,已知物体重力$G=5N$,两次测力计示数均为$3N$,则浮力$F_{浮}=5N-3N=2N$,两次浮力大小相同,说明浮力大小与物体浸没在水中的深度无关。
3. 探究浮力与液体密度的关系:控制排开体积和浸没深度相同,图(c)是水、图(e)是盐水,满足变量控制要求,因此选图(c)和图(e)。
【答案】
(c);深度;(c);(e)
【知识点】
控制变量法;浮力影响因素;称重法测浮力
【点评】
本题核心是利用控制变量法探究浮力的影响因素,解题关键是明确每次探究时需要控制的变量和改变的变量,同时要熟练运用称重法测浮力的公式来分析实验数据。
【难度系数】
0.7