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解:(1)玻璃筒漂浮,浮力等于总重力。筒内水的体积$V_{水}=50mL=50cm^{3},$水的质量$m_{水}=\rho_{水}V_{水}=1.0g/cm^{3}×50cm^{3}=50g=0.05kg,$水的重力$G_{水}=m_{水}g=0.05kg×10N/kg=0.5N,$玻璃筒重$G_{筒}=0.5N,$总重力$G=G_{筒}+G_{水}=0.5N+0.5N=1N,$故浮力$F_{浮}=G=1N。$
(2)由(1)知,在水中时排开水的体积$V_{排水}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{1N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1×10^{-4}m^{3}=100cm^{3}。$在待测液体中,筒内水的体积$V_{水}'=30mL=30cm^{3},$水的重力$G_{水}'=\rho_{水}V_{水}'g=1.0g/cm^{3}×30cm^{3}×10N/kg×10^{-3}kg/g=0.3N,$总重力$G'=G_{筒}+G_{水}'=0.5N+0.3N=0.8N,$因为漂浮,$F_{浮液}=G'=\rho_{液}V_{排水}g,$所以$\rho_{液}=\frac{G'}{V_{排水}g}=\frac{0.8N}{100×10^{-6}m^{3}×10N/kg}=0.8×10^{3}kg/m^{3}=0.8g/cm^{3}。$
(3)将待测液体装入玻璃筒,使玻璃筒在水中漂浮且记号线与水面相平,读出筒内液体体积$V_{液},$根据$G_{筒}+\rho_{液}V_{液}g=\rho_{水}V_{排水}g,$可计算$\rho_{液}。$
解:
(1) 试管和沙子的总质量​$m = 30\ g = 0.03\ kg,$​
根据重力公式​$G = mg,$​可得试管和沙子的总重力​$G = 0.03\ kg\times10\ N/kg = 0.3\ N,$​
因为试管在水中漂浮,根据漂浮条件,试管在水中漂浮时受到的浮力​$F_{浮}=G = 0.3\ N。$​
(2) 由​$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$​可得,试管排开水的体积​$V_{排}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{0.3\ N}{1\times10^{3}\ kg/m^{3}\times10\ N/kg}=3\times10^{-5}\ m^{3},$​
已知试管的横截面积​$S = 1.5\ cm^{2}=1.5\times10^{-4}\ m^{2},$​
根据​$V = Sh$​可得,试管浸入水中的深度​$h_{浸}=\frac{V_{排}}{S}=\frac{3\times10^{-5}\ m^{3}}{1.5\times10^{-4}\ m^{2}} = 0.2\ m,$​
水对试管底部的压强​$p = \rho_{水}gh_{浸}=1\times10^{3}\ kg/m^{3}\times10\ N/kg\times0.2\ m = 2000\ Pa。$​
(3) 设试管的长度为​$L,$​在水中时,​$L - h_{露1}=h_{浸},$​则​$L = h_{浸}+h_{露1}=0.2\ m + 0.05\ m = 0.25\ m,$​
在待测液体中时,试管浸入液体的深度​$h_{浸}' = L - h_{露2}=0.25\ m - 0.07\ m = 0.18\ m,$​
因为试管在水中和待测液体中都漂浮,所以浮力都等于重力,即​$F_{浮}=F_{浮}',$​
​$\rho_{水}gV_{排}=\rho_{液}gV_{排}',$​​$\rho_{水}gSh_{浸}=\rho_{液}gSh_{浸}',$​
则​$\rho_{液}=\frac{h_{浸}}{h_{浸}'}\rho_{水}=\frac{0.2\ m}{0.18\ m}\times1\times10^{3}\ kg/m^{3}\approx1.11\times10^{3}\ kg/m^{3}。$​
【分析】
1. 对于第(1)问:玻璃筒在水中漂浮,根据漂浮条件,浮力等于总重力。因此需要先计算筒内水的重力,再加上玻璃筒自身的重力,得到总重力,该总重力即为浮力大小。
2. 对于第(2)问:首先利用第(1)问的浮力,结合阿基米德原理算出玻璃筒在水中排开水的体积;由于两次记号线相平,说明玻璃筒在待测液体中排开液体的体积与水中排开水的体积相等。接着计算待测液体中玻璃筒的总重力(筒重加筒内30mL水的重力),该重力等于此时的浮力,最后通过阿基米德原理的变形公式求出待测液体的密度。
3. 对于第(3)问:可利用漂浮条件,将待测液体装入玻璃筒,使玻璃筒在水中漂浮至记号线处,通过总重力等于水的浮力建立等式,推导液体密度的计算式。
【解析】
(1) 计算图(a)中玻璃筒所受浮力:
① 单位换算:$V_{水}=50mL=50cm^{3}$
② 由密度公式$m=\rho V$,计算筒内水的质量:
$m_{水}=\rho_{水}V_{水}=1.0g/cm^{3}×50cm^{3}=50g=0.05kg$
③ 由重力公式$G=mg$,计算水的重力:
$G_{水}=m_{水}g=0.05kg×10N/kg=0.5N$
④ 计算总重力:
已知$G_{筒}=0.5N$,则$G_{总}=G_{筒}+G_{水}=0.5N+0.5N=1N$
⑤ 根据漂浮条件$F_{浮}=G_{总}$,可得浮力$F_{浮}=1N$。
(2) 计算30mL刻度线对应的密度值:
① 由阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$变形,计算玻璃筒在水中排开水的体积:
$V_{排水}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{1N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1×10^{-4}m^{3}=100cm^{3}$
因记号线相平,故玻璃筒在待测液体中排开液体的体积$V_{排液}=V_{排水}=100cm^{3}$。
② 计算待测液体中筒内水的重力:
$V_{水}'=30mL=30cm^{3}$,$m_{水}'=\rho_{水}V_{水}'=1.0g/cm^{3}×30cm^{3}=30g=0.03kg$
$G_{水}'=m_{水}'g=0.03kg×10N/kg=0.3N$
③ 计算待测液体中玻璃筒的总重力:
$G_{总}'=G_{筒}+G_{水}'=0.5N+0.3N=0.8N$
④ 玻璃筒在待测液体中漂浮,故$F_{浮液}=G_{总}'=0.8N$,由阿基米德原理变形得:
$\rho_{液}=\frac{F_{浮液}}{gV_{排液}}=\frac{0.8N}{10N/kg×100×10^{-6}m^{3}}=0.8×10^{3}kg/m^{3}$
(3) 测量液体密度的方案:
将待测液体装入玻璃筒中,使玻璃筒开口向上放入水中,当外侧水面与玻璃筒记号线相平时,读出筒内待测液体的体积$V_{液}$。
根据漂浮条件$G_{筒}+\rho_{液}V_{液}g=\rho_{水}V_{排水}g$,变形可得$\rho_{液}=\frac{\rho_{水}V_{排水}g - G_{筒}}{V_{液}g}$,代入已知数据即可计算待测液体密度。
【答案】
(1) $\boldsymbol{1N}$
(2) $\boldsymbol{0.8×10^{3}kg/m^{3}}$(或$\boldsymbol{0.8g/cm^{3}}$)
(3) 将待测液体装入玻璃筒,使玻璃筒在水中漂浮且记号线与水面相平,读出筒内液体体积$V_{液}$,根据$G_{筒}+\rho_{液}V_{液}g=\rho_{水}V_{排水}g$计算$\rho_{液}$(合理即可)
【知识点】
漂浮条件、阿基米德原理、密度计算
【点评】
本题综合考查漂浮条件与阿基米德原理的应用,关键是抓住“两次记号线相平时,玻璃筒排开液体的体积相等”这一隐含条件;第三问的开放性设计,需要灵活运用漂浮条件,培养知识迁移与实际应用能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 对于问题(1):试管在水中漂浮,根据漂浮条件,浮力等于试管和沙子的总重力。先利用$G=mg$计算总重力,即可得到浮力。
2. 对于问题(2):先通过阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$求出排开水的体积,再结合试管横截面积,利用$V=Sh$算出试管浸入水中的深度,最后根据液体压强公式$p=\rho_{水}gh$计算水对试管底部的压强。
3. 对于问题(3):先根据试管在水中的浸入深度和露出高度算出试管总长度,再得到在待测液体中的浸入深度。由于试管在两种液体中都漂浮,浮力都等于总重力,因此浮力相等,利用阿基米德原理列出等式,进而求出待测液体的密度。
【解析】
(1) 计算试管在水中漂浮时受到的浮力:
试管和沙子的总质量$m=30g=0.03kg$,
总重力$G=mg=0.03kg×10N/kg=0.3N$,
因为试管在水中漂浮,根据漂浮条件,浮力等于重力,所以$F_{浮}=G=0.3N$。
(2) 计算在水中漂浮时,水对试管底部的压强:
由$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$得,排开水的体积:
$V_{排}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{0.3N}{1×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=3×10^{-5}m^{3}$,
试管横截面积$S=1.5cm^{2}=1.5×10^{-4}m^{2}$,
由$V=Sh$得,试管浸入水中的深度:
$h_{浸}=\frac{V_{排}}{S}=\frac{3×10^{-5}m^{3}}{1.5×10^{-4}m^{2}}=0.2m$,
水对试管底部的压强:
$p=\rho_{水}gh_{浸}=1×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×0.2m=2000Pa$。
(3) 计算待测液体的密度:
设试管总长度为$L$,在水中时$L=h_{浸}+h_{露1}=0.2m+0.05m=0.25m$,
在待测液体中,试管浸入液体的深度:
$h_{浸}'=L-h_{露2}=0.25m-0.07m=0.18m$,
因为试管在两种液体中均漂浮,所以$F_{浮}=F_{浮}'$,
即$\rho_{水}gSh_{浸}=\rho_{液}gSh_{浸}'$,
约去$g$和$S$得:
$\rho_{液}=\frac{h_{浸}}{h_{浸}'}\rho_{水}=\frac{0.2m}{0.18m}×1×10^{3}kg/m^{3}\approx1.11×10^{3}kg/m^{3}$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{0.3N}$
(2) $\boldsymbol{2000Pa}$
(3) $\boldsymbol{1.11×10^{3}kg/m^{3}}$
【知识点】
漂浮条件、阿基米德原理、液体压强计算
【点评】
本题综合考查浮力与压强的相关知识,核心是利用漂浮条件(浮力等于重力)和阿基米德原理解决密度计类问题,解题过程中需注意单位的统一与换算,第三问通过建立浮力相等的等式推导液体密度,需要较强的逻辑推导能力。
【难度系数】
0.6