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B
A
A
解:(1)正方体物块的棱长$a=10\ \mathrm{cm}=0.1\ \mathrm{m},$
露出水面的高度$h=5\ \mathrm{cm}=0.05\ \mathrm{m},$
物块受到水的浮力$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}=\rho_{\mathrm{水}}gSh=1.0×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}×10\ \mathrm{N/kg}×(0.1\ \mathrm{m})^{2}×(0.1\ \mathrm{m}-0.05\ \mathrm{m})=5\ \mathrm{N}$
(2)物块漂浮,受到的浮力等于其自身的重力,即$F_{\mathrm{浮}}=G,$
根据$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}$和$G=mg=\rho_{\mathrm{物}}gV$得,$\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}=\rho_{\mathrm{物}}gV,$
则物块的密度
$\rho_{\mathrm{物}}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}V_{\mathrm{排}}}{V}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}a^{2}h}{a^{3}}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}}{2}=\frac{1}{2}×1.0×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}=0.5×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}$
(3)物块浸没在水中受到的浮力
$F_{\mathrm{浮}}'=\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}'=\rho_{\mathrm{水}}gV=1.0×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^{3}×10\ \mathrm{N/kg}×(0.1\ \mathrm{m})^{3}=10\ \mathrm{N};$
需要施加的最小压力$F=F_{\mathrm{浮}}'-G=10\ \mathrm{N}-5\ \mathrm{N}=5\ \mathrm{N}$
D
【分析】
首先明确两鸡蛋的浮沉状态:甲沉底,说明$F_{浮甲} < G_{甲}$,$V_{排甲}=V_{甲}$;乙漂浮,说明$F_{浮乙} = G_{乙}$,$V_{排乙} < V_{乙}$。再结合阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$和物体浮沉条件,对每个选项逐一分析:
1. 分析选项A:若甲、乙体积相等,甲的排液体积更大,根据阿基米德原理,液体密度相同时,排液体积越大浮力越大,因此甲的浮力更大,A错误。
2. 分析选项B:若甲、乙质量相等,则二者重力相等,甲沉底时浮力小于重力,乙漂浮时浮力等于重力,所以甲受到的浮力更小,B正确。
3. 分析选项C:向杯中加盐水后,液体密度变大,但乙始终漂浮,浮力等于自身重力,重力不变,因此浮力不变,C错误。
4. 分析选项D:向杯中加酒精后,液体密度变小,乙要么仍漂浮(浮力等于重力,大小不变),要么下沉(浮力小于原来的重力,即浮力变小),因此浮力不会变大,D错误。
【解析】
根据物体浮沉条件和阿基米德原理对各选项逐一分析:
选项A:若甲、乙体积相等,甲沉底则$V_{排甲}=V_{甲}$,乙漂浮则$V_{排乙}<V_{乙}=V_{甲}$。由阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$,在液体密度$\rho_{液}$相同的情况下,$V_{排甲}>V_{排乙}$,故$F_{浮甲}>F_{浮乙}$,A错误。
选项B:若甲、乙质量相等,则$G_{甲}=G_{乙}=mg$。甲沉底,满足$F_{浮甲}<G_{甲}$;乙漂浮,满足$F_{浮乙}=G_{乙}$,因此$F_{浮甲}<F_{浮乙}$,即甲受到的浮力小,B正确。
选项C:向杯中加盐水后,液体密度增大,乙仍处于漂浮状态,根据漂浮条件,浮力等于自身重力,乙的重力不变,所以乙受到的浮力不变,C错误。
选项D:向杯中加酒精后,液体密度减小:
若$\rho_{液}≥\rho_{乙}$,乙仍漂浮,浮力等于重力,大小不变;
若$\rho_{液}<\rho_{乙}$,乙沉底,此时$F_{浮}=\rho_{液}gV_{乙}$,$\rho_{液}$减小,浮力小于原来的重力(即小于原来的浮力)。
因此乙受到的浮力不会变大,D错误。
【答案】
B
【知识点】
阿基米德原理;物体浮沉条件
【点评】
本题考查浮力的综合应用,核心是结合物体的浮沉状态,灵活运用阿基米德原理和浮沉条件分析浮力变化,需牢记漂浮物体的浮力始终等于自身重力这一关键结论。
【难度系数】
0.6
【分析】
首先分析初始状态:气球和铁块静止,说明此时总浮力等于总重力。接下来思考手向下推气球后的变化:气球深度增加,根据液体压强规律,深度越大压强越大,气球会被压缩,体积减小;再根据阿基米德原理,排开水的体积减小,总浮力会变小。此时总重力大于总浮力,合力向下,物体将做加速向下运动。
【解析】
1. 初始状态:气球和铁块静止,根据二力平衡条件,它们受到的总浮力等于总重力,即$F_{浮总}=G_{总}$。
2. 手向下推气球后,气球所处的深度$h$增大,由液体压强公式$p=\rho gh$可知,水对气球的压强变大,气球体积被压缩而减小。
3. 根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$,气球体积减小导致排开水的总体积$V_{排}$减小,因此总浮力$F_{浮}'$变小,即$F_{浮}'<G_{总}$。
4. 此时物体受到向下的合力,根据力与运动的关系,物体将加速向下运动。
【答案】
A
【知识点】
液体压强的影响因素;阿基米德原理;二力平衡
【点评】
本题综合考查液体压强、浮力与运动状态的关联,核心是理清“深度变化→压强变化→气球体积变化→浮力变化→运动状态变化”的逻辑链条,需要学生具备综合分析物理量相互影响的能力。
【难度系数】
0.4
【分析】
要判断各选项的正误,需结合物体的浮沉条件、密度公式、压强公式等逐步分析:
1. 对于选项A:根据漂浮和悬浮的条件,物体所受浮力等于自身重力,结合阿基米德原理判断排开液体的质量关系;
2. 对于选项B:利用浮沉条件得出液体密度与物块密度的关系,再结合物块的密度关系推导液体密度大小;
3. 对于选项C:已知两物块质量相等、体积不等,根据密度公式直接比较密度大小;
4. 对于选项D:桌面受到的压强取决于总压力和受力面积,先分析总重力(烧杯、液体、物块的总重力)的大小关系,再结合压强公式判断压强大小。
【解析】
已知物块A、B质量相等($m_A=m_B$),则$G_A=G_B$。
选项A:A在M液体中漂浮,$F_{浮A}=G_A$;B在N液体中悬浮,$F_{浮B}=G_B$,因此$F_{浮A}=F_{浮B}$。根据阿基米德原理$F_{浮}=G_{排}=m_{排}g$,可得$m_{排A}=m_{排B}$,即物体排开液体的质量相等,故A错误。
选项B:A漂浮,则$\rho_M>\rho_A$;B悬浮,则$\rho_N=\rho_B$。由$m_A=m_B$,$V_A<V_B$,根据$\rho=\frac{m}{V}$可知$\rho_A>\rho_B$,因此$\rho_M>\rho_A>\rho_B=\rho_N$,即$\rho_M>\rho_N$,故B正确。
选项C:两物块质量相等,$V_A<V_B$,根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,体积越小密度越大,所以$\rho_A>\rho_B$,故C正确。
选项D:液面刚好相平,烧杯底面积相同,设液面高度为$h$,则液体体积$V_M=Sh-V_{排A}$,$V_N=Sh-V_{排B}$。由$F_{浮A}=F_{浮B}$,即$\rho_MgV_{排A}=\rho_NgV_{排B}$,结合$\rho_M>\rho_N$,可知$V_{排A}<V_{排B}$,因此$V_M>V_N$。又$\rho_M>\rho_N$,根据$m=\rho V$,可得液体质量$m_M>m_N$,液体重力$G_M>G_N$。
桌面受到的压力等于总重力:$F_{甲}=G_{杯}+G_M+G_A$,$F_{乙}=G_{杯}+G_N+G_B$,因$G_A=G_B$,所以$F_{甲}>F_{乙}$。受力面积$S$相同,根据$p=\frac{F}{S}$,可知$p_{甲}>p_{乙}$,故D正确。
综上,判断错误的是A选项。
【答案】
A
【知识点】
浮沉条件应用;密度公式应用;压强公式应用
【点评】
本题综合考查了物体浮沉条件、密度和压强公式的应用,需要理清各物理量之间的逻辑关系,对分析能力要求较高,解题时需逐一推导每个选项。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 第(1)问:要求物块受到的浮力,根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$,需先计算物块排开水的体积。已知正方体棱长和露出水面的高度,可得出浸入水中的深度,进而求出排开水的体积,代入公式计算浮力。
2. 第(2)问:物块漂浮在水面上,根据漂浮条件,浮力等于物块的重力。结合阿基米德原理公式和重力公式$G=mg=\rho_{物}gV$,联立等式即可推导出物块的密度表达式,代入数据计算。
3. 第(3)问:要使物块浸没在水中,此时物块排开水的体积等于自身的总体积,先利用阿基米德原理求出此时的浮力。对物块受力分析可知,物块受向下的重力、压力和向上的浮力,静止时受力平衡,因此最小压力$F=F_{浮}'-G$,代入数据计算即可。
【解析】
已知正方体物块的棱长$a=10\mathrm{cm}=0.1\mathrm{m}$,露出水面的高度$h_{露}=5\mathrm{cm}=0.05\mathrm{m}$,$g=10\mathrm{N/kg}$,$\rho_{水}=1.0×10^{3}\mathrm{kg/m}^3$。
(1) 物块浸入水中的深度:$h_{浸}=a-h_{露}=0.1\mathrm{m}-0.05\mathrm{m}=0.05\mathrm{m}$
排开水的体积:$V_{排}=S h_{浸}=a^{2}h_{浸}=(0.1\mathrm{m})^{2}×0.05\mathrm{m}=5×10^{-4}\mathrm{m}^3$
根据阿基米德原理,物块受到的浮力:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1.0×10^{3}\mathrm{kg/m}^3×10\mathrm{N/kg}×5×10^{-4}\mathrm{m}^3=5\mathrm{N}$
(2) 因为物块漂浮,所以$F_{浮}=G$
又因为$G=mg=\rho_{物}gV$,$V=a^{3}=(0.1\mathrm{m})^{3}=1×10^{-3}\mathrm{m}^3$,$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$
联立可得:$\rho_{水}gV_{排}=\rho_{物}gV$
则物块的密度:
$\rho_{物}=\frac{\rho_{水}V_{排}}{V}=\frac{1.0×10^{3}\mathrm{kg/m}^3×5×10^{-4}\mathrm{m}^3}{1×10^{-3}\mathrm{m}^3}=0.5×10^{3}\mathrm{kg/m}^3$
(3) 物块浸没时排开水的体积等于自身总体积:$V_{排}'=V=1×10^{-3}\mathrm{m}^3$
此时受到的浮力:
$F_{浮}'=\rho_{水}gV_{排}'=1.0×10^{3}\mathrm{kg/m}^3×10\mathrm{N/kg}×1×10^{-3}\mathrm{m}^3=10\mathrm{N}$
物块的重力$G=F_{浮}=5\mathrm{N}$,根据受力平衡$F_{浮}'=G+F$,可得需要施加的最小压力:
$F=F_{浮}'-G=10\mathrm{N}-5\mathrm{N}=5\mathrm{N}$
【答案】
(1) $\boldsymbol{5\mathrm{N}}$
(2) $\boldsymbol{0.5×10^{3}\mathrm{kg/m}^3}$
(3) $\boldsymbol{5\mathrm{N}}$
【知识点】
阿基米德原理、物体漂浮条件、受力平衡分析
【点评】
本题是浮力综合应用题,紧密结合阿基米德原理和物体漂浮条件,考查公式的灵活运用。解题过程中需注意单位换算的准确性,以及对物体受力情况的分析,是一道典型的基础浮力题型,有助于巩固浮力相关知识点。
【难度系数】
0.6
【分析】
首先,根据质量相等和密度比,利用密度公式$V=\frac{m}{\rho}$得出两物块的体积比$V_A:V_B=2:3$。接下来需分类讨论两物块在水中的浮沉状态,结合浮力的计算方法(漂浮/悬浮时浮力等于重力,下沉时用阿基米德原理)分析各选项的可能性:
1. 若A、B均漂浮或悬浮,浮力等于重力,因质量相等重力相等,浮力比为1:1,对应选项A,可能;
2. 若A下沉、B漂浮或悬浮,A的浮力用阿基米德原理计算,B的浮力等于重力,推导得浮力比为$\rho_{\mathrm{水}}:\rho_A$,对应选项C,可能;
3. 若A、B均下沉,浮力均用阿基米德原理,浮力比等于体积比2:3,对应选项B,可能;
4. 分析选项D:假设浮力比为$\rho_{\mathrm{水}}:\rho_B$,分B漂浮/悬浮、B下沉两种情况推导,均会出现矛盾或仅在特定条件下与选项B重合,不存在普遍成立的情况,故该比例不可能。
【解析】
已知$m_A=m_B=m$,$\rho_A:\rho_B=3:2$,由$V=\frac{m}{\rho}$得:
$V_A:V_B=\rho_B:\rho_A=2:3$。
分情况讨论:
① A、B均漂浮或悬浮:
此时物块所受浮力等于自身重力,即$F_A=G_A=mg$,$F_B=G_B=mg$,
故$\frac{F_A}{F_B}=\frac{mg}{mg}=\frac{1}{1}$,选项A可能。
② A下沉,B漂浮或悬浮:
A下沉,由阿基米德原理得$F_A=\rho_{\mathrm{水}}gV_A=\rho_{\mathrm{水}}g·\frac{m}{\rho_A}$;
B漂浮或悬浮,$F_B=G_B=mg$,
则$\frac{F_A}{F_B}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}g·\frac{m}{\rho_A}}{mg}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}}{\rho_A}$,选项C可能。
③ A、B均下沉:
两物块浮力均由阿基米德原理计算:
$F_A=\rho_{\mathrm{水}}gV_A$,$F_B=\rho_{\mathrm{水}}gV_B$,
故$\frac{F_A}{F_B}=\frac{V_A}{V_B}=\frac{2}{3}$,选项B可能。
④ 分析选项D:
假设$\frac{F_A}{F_B}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}}{\rho_B}$:
若B漂浮或悬浮,$F_B=mg$,则$F_A=\frac{\rho_{\mathrm{水}}}{\rho_B}· mg$。因A的重力为$mg$,若$F_A>mg$,与物体漂浮/悬浮时浮力不大于重力矛盾;若$F_A=mg$,则$\rho_B=\rho_{\mathrm{水}}$,此时$\rho_A=\frac{3}{2}\rho_{\mathrm{水}}>\rho_{\mathrm{水}}$,A下沉,$F_A=\rho_{\mathrm{水}}gV_A=\frac{2}{3}mg≠ mg$,矛盾。
若B下沉,$F_B=\rho_{\mathrm{水}}gV_B=\rho_{\mathrm{水}}g·\frac{m}{\rho_B}$,则$F_A=\frac{\rho_{\mathrm{水}}^2 gm}{\rho_B^2}$。A下沉时$F_A=\frac{2\rho_{\mathrm{水}}gm}{3\rho_B}$,令两者相等得$\rho_B=\frac{3}{2}\rho_{\mathrm{水}}$,此时$\frac{F_A}{F_B}=\frac{2}{3}=\frac{\rho_{\mathrm{水}}}{\rho_B}$,但该比例与选项B重合,并非选项D作为独立比例的普遍情况,且无其他状态满足该比例。
综上,选项D不可能。
【答案】
D
【知识点】
阿基米德原理、物体浮沉条件、密度公式应用
【点评】
本题考查浮力的综合应用,需结合密度公式、物体浮沉条件和阿基米德原理,对两物块的浮沉状态进行全面分类讨论,考查学生的逻辑分析能力和对知识点的综合运用能力,容易因遗漏部分浮沉情况而出错。
【难度系数】
0.3