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解:(1)空载时浮力秤漂浮,根据漂浮条件,浮力等于重力:
$F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{秤}}=m_{\mathrm{秤}}g=0.025\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=0.25\ \mathrm{N}$
(2)设被测物质量为$m_{\mathrm{测}},$放入被测物后浮力秤仍漂浮,$F_{\mathrm{浮}}'=G_{\mathrm{秤}}+m_{\mathrm{测}}g,$
由阿基米德原理$F_{\mathrm{浮}}'=\rho_{\mathrm{水}}g(V_0+\Delta V_{\mathrm{排}}),$且空载时$G_{\mathrm{秤}}=\rho_{\mathrm{水}}gV_0,$
联立得$m_{\mathrm{测}}g=\rho_{\mathrm{水}}g\Delta V_{\mathrm{排}},$即:
$m_{\mathrm{测}}=\rho_{\mathrm{水}}\Delta V_{\mathrm{排}}=\rho_{\mathrm{水}}S\Delta h=1.0\ \mathrm{g/cm}^3×40\ \mathrm{cm}^2×2\ \mathrm{cm}=80\ \mathrm{g}$
(3)浮力秤在水和液体中均漂浮,浮力等于重力,故$\rho_{\mathrm{水}}gSh_1=\rho_{\mathrm{液}}gSh_2,$
整理得:$\rho_{\mathrm{液}}=\rho_{\mathrm{水}}\frac{h_1}{h_2}$
解:(1)正方体物块$A$的体积:
$V=(0.1\ \mathrm{m})^3=0.001\ \mathrm{m}^3$
排开水的体积:
$V_{\mathrm{排}}=V-\frac{3}{5}V=\frac{2}{5}×0.001\ \mathrm{m}^3=4×10^{-4}\ \mathrm{m}^3$
物块$A$受到的浮力:
$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}=1×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×4×10^{-4}\ \mathrm{m}^3=4\ \mathrm{N}$
(2)弹簧自然伸长时物块漂浮,$F_{\mathrm{浮}}=G,$即$\rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}}=\rho_{\mathrm{物}}gV,$
物块$A$的密度:
$\rho_{\mathrm{物}}=\frac{V_{\mathrm{排}}}{V}\rho_{\mathrm{水}}=\frac{2}{5}×1×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3=0.4×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3$
(3)物块$A$完全浸没时,弹簧的拉力:
$F_1=F_{\mathrm{浮}}'-G=\rho_{\mathrm{水}}gV-\rho_{\mathrm{物}}gV=1×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×0.001\ \mathrm{m}^3-0.4×10^{3}\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×0.001\ \mathrm{m}^3=6\ \mathrm{N}$
由图乙可知,此时弹簧伸长量$\Delta L=6\ \mathrm{cm};$
弹簧原长:
$L_0=h_1-h_{A\mathrm{浸}}=20\ \mathrm{cm}-(1-\frac{3}{5})×10\ \mathrm{cm}=16\ \mathrm{cm}$
物块浸没时弹簧长度:
$L'=L_0+\Delta L=16\ \mathrm{cm}+6\ \mathrm{cm}=22\ \mathrm{cm}$
浸没时水面高度:
$h_2=L'+L_A=22\ \mathrm{cm}+10\ \mathrm{cm}=32\ \mathrm{cm}$
水面升高的高度:
$\Delta h=h_2-h_1=32\ \mathrm{cm}-20\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}$
【分析】
1. 第(1)问:空载时浮力秤静止在水中,处于漂浮状态,根据漂浮条件,浮力等于物体自身的重力,因此先计算浮力秤的总重力,即可得到空载时的浮力。
2. 第(2)问:当在浮力秤上放置被测物体时,浮力秤仍处于漂浮状态,此时增加的浮力等于被测物体的重力。我们可以通过阿基米德原理,利用排开水的体积变化(由圆柱横截面积和刻度高度差计算),求出增加的排开水的质量,该质量就等于被测物体的质量。
3. 第(3)问:浮力秤在水中和某液体中均处于漂浮状态,浮力都等于浮力秤的总重力,因此两次的浮力相等。根据阿基米德原理分别列出在水和液体中的浮力表达式,联立等式即可推导出液体的密度。
【解析】
(1) 空载时浮力秤漂浮,根据漂浮条件,浮力等于重力:
已知浮力秤总质量$m_{秤}=25g=0.025kg$,$g=10N/kg$,
则$G_{秤}=m_{秤}g=0.025kg×10N/kg=0.25N$,
所以空载时所受浮力$F_{浮}=G_{秤}=0.25N$。
(2) 设被测物体质量为$m_{测}$,放入物体后浮力秤仍漂浮,此时总浮力$F_{浮}'=G_{秤}+m_{测}g$。
空载时$G_{秤}=\rho_{水}gV_{0}$($V_{0}$为空载时排开水的体积),
放入物体后,根据阿基米德原理$F_{浮}'=\rho_{水}g(V_{0}+\Delta V_{排})$,
联立可得:$G_{秤}+m_{测}g=\rho_{水}g(V_{0}+\Delta V_{排})$,
化简得:$m_{测}g=\rho_{水}g\Delta V_{排}$,即$m_{测}=\rho_{水}\Delta V_{排}$。
由图可知$\Delta h=2cm$,圆柱状部分横截面积$S=40cm^{2}$,则$\Delta V_{排}=S\Delta h=40cm^{2}×2cm=80cm^{3}$,
代入$\rho_{水}=1.0g/cm^{3}$,得$m_{测}=1.0g/cm^{3}×80cm^{3}=80g$。
(3) 浮力秤在水中和液体中均漂浮,浮力等于总重力,即$F_{浮水}=F_{浮液}=G_{总}$。
根据阿基米德原理:
在水中:$\rho_{水}gSh_{1}=G_{总}$,
在液体中:$\rho_{液}gSh_{2}=G_{总}$,
联立两式可得:$\rho_{水}gSh_{1}=\rho_{液}gSh_{2}$,
化简后得到:$\rho_{液}=\rho_{水}\frac{h_{1}}{h_{2}}$。
【答案】
(1) $\boldsymbol{0.25N}$
(2) $\boldsymbol{80g}$
(3) $\boldsymbol{\rho_{液}=\rho_{水}\frac{h_{1}}{h_{2}}}$
【知识点】
漂浮条件、阿基米德原理、密度公式应用
【点评】
本题考查漂浮条件与阿基米德原理的综合应用,核心是理解浮力秤的工作原理——利用漂浮时浮力等于重力,通过排开液体体积的变化来对应被测物体的质量,同时需要具备一定的公式推导能力,将物理规律与数学运算结合起来解决问题。
【难度系数】
0.6
【分析】
1. 第(1)问:根据阿基米德原理求浮力,需先计算物块体积,再结合物块露出水面的比例算出排开水的体积,最后代入阿基米德原理公式计算。
2. 第(2)问:弹簧自然伸长时物块漂浮,浮力等于重力,利用该等量关系推导物块密度的表达式,代入数据求解。
3. 第(3)问:先计算物块完全浸没时浮力与重力的差值得到弹簧拉力,结合图像得出弹簧伸长量;再根据初始状态算出弹簧原长,进而得到浸没时弹簧长度,结合物块棱长算出此时水面高度,最后求出水面升高的高度。
【解析】
(1) 计算实心正方体物块A的体积:
$V=(0.1m)^3=0.001m^3$
物块A排开水的体积:
$V_{排}=V-V_{露}=V-\frac{3}{5}V=\frac{2}{5}V=\frac{2}{5}×0.001m^3=4×10^{-4}m^3$
根据阿基米德原理,物块A受到的浮力:
$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1×10^3kg/m^3×10N/kg×4×10^{-4}m^3=4N$
(2) 弹簧处于自然伸长状态时,物块漂浮,$F_{浮}=G$,即:
$\rho_{水}gV_{排}=\rho_{物}gV$
推导得物块A的密度:
$\rho_{物}=\frac{V_{排}}{V}\rho_{水}=\frac{2}{5}×1×10^3kg/m^3=0.4×10^3kg/m^3$
(3) 物块A刚好浸没时,受到的浮力:
$F_{浮}'=\rho_{水}gV=1×10^3kg/m^3×10N/kg×0.001m^3=10N$
物块的重力:
$G=\rho_{物}gV=0.4×10^3kg/m^3×10N/kg×0.001m^3=4N$
弹簧的拉力:
$F_{1}=F_{浮}'-G=10N-4N=6N$
由图乙可知,拉力为6N时弹簧伸长量$\Delta L=6cm$。
初始状态下物块浸入水中的深度:
$h_{A浸}=(1-\frac{3}{5})×0.1m=0.04m=4cm$
弹簧的原长:
$L_{0}=h_{1}-h_{A浸}=20cm-4cm=16cm$
物块A刚好浸没时弹簧的长度:
$L'=L_{0}+\Delta L=16cm+6cm=22cm$
此时水面的高度:
$h_{2}=L'+L_{A}=22cm+10cm=32cm$
水面升高的高度:
$\Delta h=h_{2}-h_{1}=32cm-20cm=12cm$
【答案】
(1) $\boldsymbol{4N}$
(2) $\boldsymbol{0.4×10^3kg/m^3}$
(3) $\boldsymbol{12cm}$
【知识点】
阿基米德原理、物体浮沉条件、弹簧伸长与拉力关系
【点评】
本题综合了浮力与弹簧力学的相关知识,需要结合图像分析物理量,步骤较多,要求学生理清各物理量间的逻辑关系,具备较强的综合分析与计算能力。
【难度系数】
0.6