【分析】
(1) 要计算长方体完全浸没时的浮力,根据阿基米德原理,需先求出长方体的体积(即完全浸没时排开水的体积),再代入浮力公式计算。
(2) 绘制弹簧测力计示数$F$随下移距离$h$的变化图像,需分三个阶段分析:①长方体未接触水时,测力计示数等于重力;②长方体部分浸入水中时,随着浸入深度增加,浮力增大,测力计示数减小;③长方体完全浸没后,浮力不变,测力计示数保持不变。同时需结合容器和长方体的底面积,计算出长方体从刚接触水到完全浸没时下移的距离。
【解析】
(1) 长方体的体积:
$V = S_{物}h_{物} = 50\ cm^2 × 6\ cm = 300\ cm^3 = 3 × 10^{-4}\ m^3$
长方体完全浸没时,排开水的体积$V_{排}=V=3 × 10^{-4}\ m^3$
根据阿基米德原理,受到的浮力:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1.0 × 10^3\ kg/m^3 × 10\ N/kg × 3 × 10^{-4}\ m^3=3\ N$
(2) 先计算长方体的重力:
$G=mg=1\ kg × 10\ N/kg=10\ N$
分三个阶段分析:
① 当$0 ≤ h ≤ 5\ cm$时,长方体未浸入水中,浮力为0,弹簧测力计示数$F=G=10\ N$,示数恒定;
② 设长方体完全浸没时,水面上升的高度为$\Delta h$,由$V_{排}=S_{容}\Delta h$得:
$\Delta h=\frac{V_{排}}{S_{容}}=\frac{300\ cm^3}{100\ cm^2}=3\ cm$
长方体从刚接触水面到完全浸没,实际下移的距离为$6\ cm - 3\ cm=3\ cm$,即当$5\ cm < h ≤ 8\ cm$时,长方体逐渐浸入水中,浮力从0增大到$3\ N$,弹簧测力计示数从$10\ N$线性减小到$F=G-F_{浮}=10\ N - 3\ N=7\ N$;
③ 当$h > 8\ cm$时,长方体完全浸没,浮力不变,弹簧测力计示数保持$7\ N$恒定。
根据以上分析绘制图像:横坐标为下移距离$h$(单位:$cm$),纵坐标为测力计示数$F$(单位:$N$);$0∼5\ cm$为水平线段$F=10\ N$;$5∼8\ cm$为从$(5,10)$到$(8,7)$的倾斜线段;$h>8\ cm$为水平线段$F=7\ N$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{3\ N}$
(2) 图像如上述解析所示
【知识点】
阿基米德原理,重力计算,力的平衡
【点评】
本题考查浮力与力的平衡的综合应用,需结合容器与物体的体积关系分析水面高度变化,准确划分不同运动阶段的受力情况,对分析能力要求较高。
【难度系数】
0.7