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C
B
1.8
容器内的水面逐渐上升
0.8
排开液体的体积
D
解:(1)把小球浸没在装满水的溢水杯中,$V_{\mathrm{排}}=V=1×10^{-4}\ \mathrm{m}^3,$
小球受到的浮力$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}=1×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×1×10^{-4}\ \mathrm{m}^3=1\ \mathrm{N}$
(2)小球的重力$G=F_{\mathrm{浮}}+F_{\mathrm{拉}}=1\ \mathrm{N}+3.6\ \mathrm{N}=4.6\ \mathrm{N}$
(3)小球的质量$m=\frac{G}{g}=\frac{4.6\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=0.46\ \mathrm{kg},$
小球的密度$\rho_{\mathrm{小球}}=\frac{m}{V}=\frac{0.46\ \mathrm{kg}}{1×10^{-4}\ \mathrm{m}^3}=4.6×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3$
【分析】
首先根据阿基米德原理,浸在液体中的物体所受浮力等于它排开液体的重力,结合题目中“甲、乙两球排开液体的重力相等”的条件,先判断两球浮力大小;再从图中获取甲、乙排开液体的体积关系,利用浮力公式$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$,在浮力相等的前提下分析两种液体的密度大小,进而判断选项对错。
【解析】
1. 判断浮力大小:
根据阿基米德原理$F_{浮}=G_{排}$,已知甲、乙两球排开液体的重力相等,因此$F_{浮甲}=F_{浮乙}$,故A、B选项错误。
2. 分析液体密度:
由图可知,甲球排开液体的体积$V_{排甲}>V_{排乙}$,又因为$F_{浮甲}=F_{浮乙}$,对公式$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$变形得$\rho_{液}=\frac{F_{浮}}{gV_{排}}$。
在$F_{浮}$相等时,$V_{排}$越大,液体密度$\rho_{液}$越小,因此$\rho_{A}<\rho_{B}$,即容器A中液体密度更小,C选项正确,D选项错误。
【答案】
C
【知识点】
阿基米德原理、浮力公式应用
【点评】
本题考查阿基米德原理的灵活应用,解题关键是从图中准确获取物体排开液体的体积关系,结合已知的排开液体重力相等的条件,利用公式推导液体密度的大小关系。
【难度系数】
0.6
【分析】
要计算中学生在空气中受到的浮力,需借助阿基米德原理$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{空}}gV_{\mathrm{排}}$。首先,根据中学生的重力,利用$G=mg$求出其质量;由于人体密度与水的密度相当,再通过密度公式$\rho=\frac{m}{V}$的变形公式$V=\frac{m}{\rho}$算出中学生的体积(即排开空气的体积);最后将相关数值代入阿基米德原理公式,计算出浮力并匹配选项。
【解析】
1. 计算中学生的质量:
由$G=mg$可得,$m=\frac{G}{g}=\frac{500\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=50\ \mathrm{kg}$($g$取$10\ \mathrm{N/kg}$进行近似计算)。
2. 计算中学生的体积:
已知人体密度$\rho_{\mathrm{人}}=\rho_{\mathrm{水}}=1×10^{3}\ \mathrm{kg/m^{3}}$,根据$\rho=\frac{m}{V}$变形得$V=\frac{m}{\rho_{\mathrm{人}}}=\frac{50\ \mathrm{kg}}{1×10^{3}\ \mathrm{kg/m^{3}}}=0.05\ \mathrm{m^{3}}$,该体积即为排开空气的体积$V_{\mathrm{排}}=V=0.05\ \mathrm{m^{3}}$。
3. 计算空气中的浮力:
根据阿基米德原理$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{空}}gV_{\mathrm{排}}$,代入数值:
$F_{\mathrm{浮}}=1.29\ \mathrm{kg/m^{3}}×10\ \mathrm{N/kg}×0.05\ \mathrm{m^{3}}=0.645\ \mathrm{N}\approx0.65\ \mathrm{N}$。
【答案】
B
【知识点】
阿基米德原理、密度公式应用、重力与质量关系
【点评】
本题考查阿基米德原理的实际应用,需结合重力公式、密度公式间接求解排开空气的体积,核心是明确人体体积等于排开空气的体积,计算过程中注意单位统一与数值的近似处理,帮助学生理解浮力在不同介质中的计算方法。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 第(1)问:先确定弹簧测力计的分度值,根据指针位置读出物块的重力,图甲中弹簧测力计分度值为0.2N,指针指向1.8N,故重力为1.8N。
2. 第(2)问:物块从甲到乙的过程中,排开液体的体积逐渐变大,排开的水会使容器内水面上升,结合弹簧测力计示数减小的现象,可初步得出浮力与排开液体体积的关系。
3. 第(3)问:根据称重法测浮力,完全浸没后浮力大小由排开液体体积和液体密度决定,与是否接触容器底部无关,代入数值计算即可。
4. 第(4)问:探究浮力与液体密度的关系需控制排开液体的体积相同;分析各改进方案,判断哪个方案无法使不明显的浮力变化变得显著。
【解析】
(1) 由图甲可知,弹簧测力计的分度值为0.2N,指针指向1.8N,因此物块的重力为$\boldsymbol{1.8N}$。
(2) 物块从图甲下降至图乙的过程中,排开液体的体积逐渐增大,可观察到容器内的水面逐渐上升,同时弹簧测力计示数减小,说明浮力随排开液体体积的增大而增大。
(3) 根据称重法,物块完全浸没时受到的浮力$F_{\mathrm{浮}}=G-F_{\mathrm{乙}}=1.8\mathrm{N}-1\mathrm{N}=0.8\mathrm{N}$;当物块与容器底部接触后,排开液体的体积和液体密度均不变,故浮力仍为$\boldsymbol{0.8N}$。
(4) 探究浮力与液体密度的关系时,要控制排开液体的体积相同;
A选项:换用体积更大的同种物块,排开液体的体积更大,浮力变化更明显,可行;
B选项:换用密度比水小得多的液体,与水的密度差异大,浮力变化更明显,可行;
C选项:换用精确程度更高的测力计,能测出微小的浮力变化,可行;
D选项:利用现有器材多次实验,无法改变浮力变化不明显的现状,不可行。
因此不可行的是$\boldsymbol{D}$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{1.8}$
(2) $\boldsymbol{容器内的水面逐渐上升}$
(3) $\boldsymbol{0.8}$
(4) $\boldsymbol{排开液体的体积}$;$\boldsymbol{D}$
【知识点】
称重法测浮力;控制变量法;阿基米德原理
【点评】
本题围绕浮力影响因素的探究展开,考查了弹簧测力计读数、称重法的应用及控制变量法的实验设计,需结合实验现象和原理分析问题,同时要能判断实验改进方案的合理性。
【难度系数】
0.7
【分析】
1. 对于小球受到的浮力:小球浸没在水中,排开水的体积等于小球体积,可利用阿基米德原理公式$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$计算浮力。
2. 对于小球的重力:已知弹簧测力计的拉力和小球受到的浮力,根据称重法测浮力的公式$F_{浮}=G-F_{拉}$变形,即可求出小球的重力。
3. 对于小球的密度:先通过重力公式$G=mg$求出小球的质量,再结合小球体积,利用密度公式$\rho=\frac{m}{V}$计算小球密度。
【解析】
(1)因为小球浸没在水中,所以排开水的体积$V_{排}=V_{球}=1×10^{-4}\ \mathrm{m}^{3}$
根据阿基米德原理,小球受到的浮力:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}×10\ \mathrm{N/kg}×1×10^{-4}\ \mathrm{m}^{3}=1\ \mathrm{N}$
(2)由称重法测浮力的公式$F_{浮}=G-F_{拉}$,可得小球的重力:
$G=F_{浮}+F_{拉}=1\ \mathrm{N}+3.6\ \mathrm{N}=4.6\ \mathrm{N}$
(3)根据$G=mg$,可得小球的质量:
$m=\frac{G}{g}=\frac{4.6\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=0.46\ \mathrm{kg}$
小球的密度:
$\rho_{小球}=\frac{m}{V_{球}}=\frac{0.46\ \mathrm{kg}}{1×10^{-4}\ \mathrm{m}^{3}}=4.6×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}$
【答案】
(1)$\boldsymbol{1\ \mathrm{N}}$
(2)$\boldsymbol{4.6\ \mathrm{N}}$
(3)$\boldsymbol{4.6×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}}$
【知识点】
阿基米德原理、称重法测浮力、密度公式应用
【点评】
本题是力学基础综合题,整合了浮力、重力、密度的相关计算,需要熟练掌握各公式的推导与应用,明确各物理量间的关联,理清解题逻辑即可顺利求解。
【难度系数】
0.7