【分析】
要探究浮力大小与液体密度的关系,需采用控制变量法,控制排开液体的体积$V_{排}$不变,改变液体的密度,分析浮力的变化。
首先回顾初始状态:当弹簧测力计示数为0时,袋内水受到的浮力等于其重力,即$F_{浮}=G_{水}$,结合阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$和$G_{水}=\rho_{水}gV_{袋内}$,可得$V_{排}=V_{袋内}$(袋内外液面相平,排开液体体积等于袋内水的体积)。
接下来分析各选项:
若改变袋内液体的种类(选项A、B),当测力计示数为0时,$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}'=G_{液}=\rho_{液}gV_{袋内}$,因$\rho_{液}≠\rho_{水}$,则$V_{排}'≠ V_{袋内}$,即$V_{排}$改变,无法控制$V_{排}$不变,故A、B错误。
选项C:袋外水换成密度更大的甲液体($\rho_{甲}>\rho_{水}$),袋内水不变。若要保持$V_{排}=V_{袋内}$,此时浮力$F_{浮}'=\rho_{甲}gV_{袋内}>\rho_{水}gV_{袋内}=G_{水}$,塑料袋会上浮,导致$V_{排}$减小,无法控制$V_{排}$不变,故C错误。
选项D:袋外水换成密度更小的乙液体($\rho_{乙}<\rho_{水}$),袋内水不变。控制$V_{排}=V_{袋内}$(保持袋内外液面相平),此时浮力$F_{浮}''=\rho_{乙}gV_{袋内}$,与初始状态的浮力$F_{浮}=\rho_{水}gV_{袋内}$对比,因$\rho_{乙}≠\rho_{水}$且$V_{排}$不变,浮力不同,可说明浮力大小与液体密度有关,故D正确。
【解析】
要探究浮力与液体密度的关系,需控制$V_{排}$不变,改变液体密度:
1. 分析初始状态:
当测力计示数为0时,$F_{浮}=G_{水}$,由阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$和重力公式$G_{水}=\rho_{水}gV_{袋内}$,可得$V_{排}=V_{袋内}$,即排开液体体积等于袋内水的体积。
2. 逐一分析选项:
A选项:袋内水换为等体积甲液体($\rho_{甲}>\rho_{水}$),袋外水不变。当测力计示数为0时,$\rho_{水}gV_{排}'=\rho_{甲}gV_{袋内}$,因$\rho_{甲}>\rho_{水}$,则$V_{排}'>V_{袋内}$,$V_{排}$改变,不符合控制变量要求,错误。
B选项:袋内水换为等体积乙液体($\rho_{乙}<\rho_{水}$),袋外水不变。当测力计示数为0时,$\rho_{水}gV_{排}'=\rho_{乙}gV_{袋内}$,因$\rho_{乙}<\rho_{水}$,则$V_{排}'<V_{袋内}$,$V_{排}$改变,不符合要求,错误。
C选项:袋外水换为甲液体($\rho_{甲}>\rho_{水}$),袋内水不变。若保持$V_{排}=V_{袋内}$,浮力$F_{浮}'=\rho_{甲}gV_{袋内}>G_{水}$,塑料袋上浮,$V_{排}$减小,无法控制$V_{排}$不变,错误。
D选项:袋外水换为乙液体($\rho_{乙}<\rho_{水}$),袋内水不变。控制$V_{排}=V_{袋内}$(袋内外液面相平),此时浮力$F_{浮}''=\rho_{乙}gV_{袋内}$,与初始浮力$F_{浮}=\rho_{水}gV_{袋内}$对比,$V_{排}$相同、液体密度不同,浮力不同,可验证浮力与液体密度的关系,正确。
【答案】
D
【知识点】
控制变量法;阿基米德原理;浮力的影响因素
【点评】
本题考查浮力影响因素的探究,核心是掌握控制变量法的应用,需明确探究浮力与液体密度的关系时,必须严格控制排开液体的体积不变,同时结合阿基米德原理分析各选项中排开体积的变化情况。
【难度系数】
0.6