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解:(1)长方体的底面积​$S = 50cm^{2}=5\times10^{-3}m^{2},$​高​$h = 6cm = 0.06m,$​则长方体体积​$V = Sh = 5\times10^{-3}m^{2}\times0.06m = 3\times10^{-4}m^{3}。$​
长方体完全浸没时​$V_{排}=V = 3\times10^{-4}m^{3},$​根据阿基米德原理​$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排},$​水的密度​$\rho_{水}=1.0\times10^{3}kg/m^{3},$​​$g = 10N/kg,$​可得:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1.0\times10^{3}kg/m^{3}\times10N/kg\times3\times10^{-4}m^{3}=3N​$
$(2)如图所示$
重力
浮力
大于
小于
等于
小于
大于
自身重力
【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
【分析】
要解决这道题,首先回忆物体浮沉的相关原理:浸在液体中的物体,会受到竖直向下的重力和竖直向上的浮力,物体的浮沉状态完全由这两个力的大小关系决定。接下来分别对应不同浮沉状态分析力的关系:当重力比浮力大时,合力向下,物体下沉;当重力比浮力小时,合力向上,物体上浮;当重力和浮力大小相等时,二力平衡,物体处于静止的漂浮或悬浮状态。
【解析】
根据物体浮沉的条件可知:
浸在液体中的物体,其浮沉情况取决于它受到的重力和浮力。
当物体所受重力大于浮力时,合力方向向下,物体会下沉;
当物体所受重力小于浮力时,合力方向向上,物体会上浮;
当物体所受重力等于浮力时,二力平衡,物体处于漂浮或悬浮状态。
【答案】
重力;浮力;大于;小于;等于
【知识点】
物体浮沉条件
【点评】
本题是对物体浮沉条件基础知识的直接考查,属于概念识记类题目,难度较低。掌握物体浮沉时重力与浮力的大小关系,是理解轮船、潜水艇等浮力应用实例的基础,需熟练牢记。
【难度系数】
0.9
【分析】
要解决这道题,需结合物体的浮沉条件逐步分析:
1. 对于高空科学气球:根据阿基米德原理,气球受到的浮力$F_{浮}=\rho_{空气}gV_{排}$,气球的总重力$G=\rho_{氦气}gV + G_{气囊}$(其中$V_{排}=V$为气囊的体积)。要使气球升空,浮力必须大于总重力,因此氦气的密度必须小于空气密度,这样才能保证浮力大于重力,让气球获得向上的合力升空。
2. 对于潜艇:潜艇的体积固定,排开水的体积始终等于自身体积,根据阿基米德原理,其受到的浮力大小保持不变。因此潜艇只能通过改变自身重力(如向水舱充水或排水,改变自身总质量),调整重力与浮力的大小关系,从而实现浮沉。
【解析】
1. 高空科学气球要升空,需满足浮力大于自身总重力的条件,对比浮力和重力的计算公式可知,只有氦气密度小于空气密度时,才能让浮力大于重力,因此第一空填“小于”,第二空填“大于”。
2. 潜艇的排开水的体积不变,浮力大小恒定,所以它是通过改变自身重力来实现浮沉的,第三空填“自身重力”。
【答案】
小于;大于;自身重力
【知识点】
物体浮沉条件;浮力的实际应用
【点评】
本题考查浮力在科技产品中的实际应用,属于基础理解类题目。需要学生准确区分气球升空与潜艇浮沉的原理差异,加深对物体浮沉条件的掌握与应用。
【难度系数】
0.8
【分析】
要理清物理教科书对物体浮沉条件的探究引导,需从“现象-问题-实验-分析-结论”的逻辑链条展开思考:首先从生活中常见的浮沉现象切入,引发学生对浮沉原因的疑问;接着通过设计实验,让学生直观观察不同状态下物体的受力(浮力与重力)关系;再对实验现象进行受力分析,归纳出浮沉的核心条件;最后结合阿基米德原理深化对条件的理解。整个思路围绕“探究浮力与重力的大小关系是决定浮沉的关键”展开,逐步引导学生从感性认识上升到理性结论。
【解析】
物理教科书通常按以下流程引导探究物体浮沉条件:
1. 现象引入,提出问题
展示木块漂浮、铁块沉底、鸡蛋在清水中下沉却在盐水中上浮等生活实例,引导学生提出核心问题:“物体在液体中浮沉的决定因素是什么?”
2. 实验探究,获取数据
方案一:用弹簧测力计测出物体的重力$G$,再将物体浸没在液体中,读出测力计示数$F_{拉}$,通过称重法计算浮力$F_{浮}=G-F_{拉}$,对比$F_{浮}$与$G$的大小,同时观察物体的浮沉状态。
方案二:通过改变液体密度(如向清水中逐步加盐)或物体自身重力(如给漂浮的小木块添加砝码),观察物体浮沉状态的变化,记录对应的受力关系。
3. 受力分析,归纳结论
对不同浮沉状态的物体进行受力分析,总结规律:
上浮:$F_{浮}>G$;
漂浮:$F_{浮}=G$(物体静止在液面,部分浸入液体);
悬浮:$F_{浮}=G$(物体静止在液体内部,完全浸入);
下沉:$F_{浮}<G$。
4. 拓展推导,深化理解
结合阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$与重力公式$G=\rho_{物}gV_{物}$,进一步推导出物体密度与液体密度的关系对浮沉的影响:
$\rho_{物}<\rho_{液}$,物体漂浮;
$\rho_{物}=\rho_{液}$,物体悬浮;
$\rho_{物}>\rho_{液}$,物体下沉。
【答案】
物理教科书引导探究物体浮沉条件的过程为:
1. 从生活浮沉现象出发,提出探究问题;
2. 通过称重法测浮力、改变液体/物体重力等实验,收集浮沉状态与受力关系的证据;
3. 对不同状态物体受力分析,归纳出浮力与重力大小关系对应的浮沉规律;
4. 结合阿基米德原理,推导物体密度与液体密度的关系对浮沉的影响,深化理解。
【知识点】
物体浮沉条件、称重法测浮力、受力分析
【点评】
该探究过程以生活现象为起点,实验与理论结合,既培养了学生的观察、实验能力,又帮助学生理解浮沉现象的本质逻辑,为轮船、潜水艇等浮力应用的学习搭建了基础,体现了物理学科“从生活到物理,从物理到社会”的理念。
【难度系数】
0.6