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- 2021-05-10 发布
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第21讲 浮力的应用
21.1学习提要
21.1.1 计算浮力的推导公式
错误!未找到引用源。(仅使用于物体漂浮或悬浮状态)
这是一个经常在浮力计算中用到的公式,熟练掌握这个公式,许多问题就可以迎刃而解。公式的推导过程如下
以物体漂浮为例,如图21 - 1所示。
图21-1
F浮 = G物
ρ液gV排 = ρ物gV物
故 错误!未找到引用源。
物体如果处于悬浮状态,同理可证。
21.1.2 浮沉条件的应用
1. 轮船
轮船漂浮在水面,受到两个力的作用,根据漂浮条件,F浮=G总=G船+G货。轮船是用钢板焊成的空心体,比起相同质量的实心钢材,能排开更多的水,从而产生巨大的浮力来平衡船体和所载的货物所受的重力。例如一艘排水量为30万吨的油轮,如果油轮自身质量为6万吨,那么它最多可装载24万吨的原油。
图21-2 图21-3 图21-4
2. 潜水艇
如图21 - 2所示,当改变自重至F浮G总潜水艇上浮。其自重的改变是通过压缩空气跟水舱组合工作而实现的。
3. 气球和飞艇
如图21 - 3所示,气球和飞艇的升空和下降,主要是靠改变它们所受到的浮力大小和自重大小来实现的。它的主要部分是气囊,其内充的是密度较小的热空气或氦气。
4. 密度计
如图21 -4所示,密度计可直接测量液体的密度,它根据漂浮条件F浮=G物而工作,所以它在不同的液体中受到的浮力都相等,其排开液体的体积与液体密度之间的关系为错误!未找到引用源。。
密度计的刻度有两个特点:第一,刻度越髙,密度越小;第二,刻度的间距不均匀,上面疏,下面密。可概括为八个字“上小下大,上疏下密”。
密度计分为两种:一种叫比轻计,用于测定比水的密度小的液体密度;另一种叫比重计,用于测定比水的密度大的液体密度。
5. 其他应用
(1)利用盐水选种
适当调配盐水的密度,这样使密度大于盐水的种子下沉,使密度小于盐水的种子漂浮,达到选种的目的。
(2)测定血液密度
取一滴血液滴入硫酸铜溶液里,若悬浮,则血液的密度等于该溶液的密度。
(3)打捞沉船
如图21 - 5所示,打捞沉船时利用体积巨大的密封钢筒(浮筒)来打捞,往浮筒里注水使它下沉,若把浮筒与沉船拴牢后,将浮筒中的水排出,使所受浮力大于船重,沉船就可上浮了。
图21-5
21.2 难点释疑
21. 2.1利用浮力測定物质的密度
在实验中,由于器材的缺少,不能用常规的方法测密度,如缺少天平或缺少量筒等。而前面所学的浮力知识中,可以找到V排与V物(或F浮与G物)的关系。
方法一:用弹簧测力计测得物体重力为G,物体全部浸没在液体后弹簧测力计的示纹变为F。则
G=ρ物gV ①
F浮=G-F=ρ液gV ②
①/②得到 错误!未找到引用源。
若ρ液已知,则 错误!未找到引用源。
若ρ物已知,则 错误!未找到引用源。
方法二:用量筒测得物体漂浮在液面上所排开的液体体积Vi,以及物体的总体积V2。由漂浮条件,
F浮=G物,即ρ液gV排=ρ物gV物
有 ρ液gV1=ρ物gV2
若ρ物已知,则 错误!未找到引用源。=v^
若ρ液已知,则 错误!未找到引用源。
21. 2. 2密度计的刻度“上小下大、上疏下密”的原因
设想密度计OC是一根规则的柱形物体,如图21-6(a)所示。A、B是密度计的三等分点,有 VOA = VAB = VBC。
图21-6
在图21-6(b)中,密度计A点和密度为ρ1的液体液面相平齐,则
F浮1=G物,ρ1 g VOA =ρ物gV物
ρ1 g错误!未找到引用源。V物=ρ物 gV物,ρ1=3ρ物
所以A点应标上ρA=3ρ物。
在图21 – 6(c)中,密度计B点和密度为ρ2的液体液面相平齐,则
F浮2=G物,ρ2 g VOB =ρ物gV物
ρ2 g错误!未找到引用源。V物=ρ物 gV物,ρ2 = 错误!未找到引用源。ρ物
所以B点应标上ρB = 错误!未找到引用源。ρ物。
在图21-6(d)中,密度计C点和密度为ρ3的液体液面相平齐,则
F浮3=G物,ρ3 g VOC =ρ物gV物
ρ3gV物=ρ物 gV物,ρ3 =ρ物
所以C点应标上ρC =ρ物。
由上述可见,密度计刻度是不均匀的,所以ρx =2ρ物以应标在A、B之间,所以密度计的刻度 是“上小下大、上疏下密”。
22.3 例题解析
21. 3.1利用浮力知识测物体的密度
例1 通过实验测量小木块的密度ρ。除待测小木块外,可以提供的器材有:一个盛有水的大容器,一个测量精度可以达到要求的弹簧测力计,一个小铁块和细线。要求:说明实验原理和实验方法,并给出小木块密度的最终表达式。已知小木块密度ρ小于水的密度ρ’。
【点拨】因为有弹簧测力计,可以直接测得小木块的重力G,由G =mg可得小木块的质量为m =错误!未找到引用源。。本题的关键是要说明解决:如何获得小木块的体积V。根据阿基米德原理F浮=ρ液 g V排,若能测得小木块浸没在水中时所受的浮力,由于这时V排=V木,那么可得V木=F浮 /(ρ水g)。
由于小木块密度ρ小于水的密度ρ’,所以要将小木块与铁块拴在一起,两者在水中下沉(可以用沉锤法测量小木块的密度ρ)。
【解答】先仅将铁块浸没在水中,如图21-7(a)所示,这时测力计的示数为F1,铁块受到的浮力为F铁。
根据图21-7(b)所示的受力分析及平衡条件,可得:
F1=G+G铁-F铁 ①
再将木块和铁块一起浸没在水中,如图21-7(c)所示,这时测力计的示数为F2,木块受到的浮力为F木。
根据图21 – 7(d)所示的受力分析及平衡条件,可得:
(a) (b)
(c) (d)
图21-7
F2 = G + G铁—F木—F铁 ②
①一②可得F1—F2 = F木,即F1—F2 =ρ’gV木,则V木 = 错误!未找到引用源。,ρ=错误!未找到引用源。。
【答案】(1)实验原理:;
(2) 实验步骤:
①先在空气中用弹簧测力计测出小木块的重力G,则小木块的质量为;
②用细线将小木块与铁块系在一起,然后挂在弹簧测力计下,小木块在上,铁块在下;
③将铁块完全浸没在水中,此时小木块全部处于水面之上,记录弹簧测力计示数F1,根 据力的平衡知识,此时弹簧测力计的示数F1等于小木块和铁块总重力与铁块所受浮力之差;
④将铁块和小木块完全浸没在水中,记录弹簧测力计的示数F2,此时弹簧测力计的示数 F2等于小木块和铁块总重力与小木块、铁块所受浮力之差;
⑤以上两次测量数据F1和F2之差就等于小木块浸没在水中受到的浮力。由此可推算小木块的体积为;
⑥小木块的密度为;
(2) 小木块的密度表达式为。
【反思】利用物体在液体中的浮沉条件,借助液体密度,可以方便地求出物本的密度。
21.3.2在不同状态下,如何正确地对物体进行受力分析
例2 如图21-8(a)所示,一木块A放在水中静止时,有13. 5 cm3的体积露出水面。现一体积为5 cm3的金属块B故在木块的上表面,木块刚好全部浸没在水中,如图21 - 8(b)所 示,求金属块B的密度。
图21-8(a)
【点拨】物块漂浮时,根据平衡条件有F浮=G,加放另一物块后,对于整体由于重力的增加,达到新的平衡状态时有F'=G+G'。考虑物块在液体中的浸入情况并结合浮力公式,就可以求解了。
【解答】对于第一状态,木块漂浮在水面上,以木块为研究对象,有F浮木=G木对于第二状态,金属块和木块作为整体漂浮在水面上,以木块和金属块的整体为研究对象,有F'浮木=G木+G金,其中表示木块浸没在水中时所受到的浮力。
将上面两式想减得:F'浮木-F浮木=G金
ρ水gV木-ρ水g(V木-V露)=ρ金gV金
整理代入得:ρ金=ρ水V露/V金=[13.5×10-6/(5×10-6)]×1.0×103(kg/m3)=2.7×103(kg/m3)
【答案】金属块B的密度为2.7×103kg/m3。
【反思】要时刻牢记,对于浮体来说,浮力与重力是一对平衡力,而F浮=ρ液gV排。
21.3.2 浮力中的动态问题
例3 如图21-9 (a)所示,一根长16 cm的蜡烛,底部镶嵌一块铁块,将它竖直放在水中,露出水面的长度为1 cm,求蜡烛媳灭时所剩的长度。(ρ蜡= 0. 9×103 kg/m3)
(a) (b)
图21-9
【点拨】当然不会认为露出1cm烧完,剩下15 cm;也不 会认为蜡烛会全部烧完而仅剩铁块。这是一道动态浮力题,随着蜡烛的燃烧,重力减小,蜡烛上浮,直至错烛上表面和水面平齐,水把烛烟熄灭,如图21 - 9(b)所示。抓住始末两种状 态,F浮=G,问题可以得到解决。
【解答】刚开始点燃时,把蜡烛和铁块看成一个整体,处于漂浮,则
F浮=G铁+G蜡 ①
当蜡烛熄灭时,蜡烛和铁块看成另一个整体,处于悬浮,则
F浮’’=G铁+G蜡’ ②
①-②可得 F浮-F浮’’=G蜡-G蜡’ ③
设蜡烛底面积为S,原长为h,始末两种情况下,蜡烛浸入部分长度为h1和h2,由③式可得
ρ水gh1S - ρ水gh2S = ρ蜡ghS - ρ蜡gh2S
所以 ρ水h1 - ρ水h2 = ρ蜡h - ρ蜡h2
h2 = (ρ水h1 - ρ蜡h)/(ρ水 - ρ蜡)
=(1×15-0.9×16)/(1-0.9)(cm)=6(cm)
【答案】蜡烛所剩的长度为6 cm
【反思】(1)理解好题意,用整体法列式;
(2)根据力的平衡,进一步分析推导,可消除一些未知量,最后可获得结果。
21.3.4 列式求解浮力问题
例4 将一圆柱体用弹簧测力计吊起来,置于空气中,弹簧伸长10 cm;如果把圆柱体的—半浸没在水中,弹簧伸长4 cm,那么圆柱体的密度是___________。
【点拨】设圆柱体的体积为V,密度为ρ弹簧劲度系数为k在空气中测量时弹簧伸长x1
,在水中测量时弹簧伸长x2。据胡克定律F = kx和受力平衡的关系,可列式求解。
【解答】由题意可列方程组
ρgv = kx1 ①
ρgv - (1/2)ρ水gV = kx2 ②
两式相除,得 (ρ - (1/2)ρ水)/ρ = x1/x2 = 4/10
所以 ρ = 5ρ水/6 = 0.8333×103(kg/m3)
【答案】 0.8333×103kg/m3。
【反思】本题巧妙运用了方程中的两个联立方程两边相除的方法,化繁为简,立即可求出结果。
例5 如图21-10(a)所示,将一木块放人水中,它 露出水面部分的V1是24 cm3。将露出水面部分完全截去后再放入水中,它露出水面部分的体积V2是16 cm3,如图21 - 10(b)所示求木块的密度和原来的体积。
(a) (b)
图21-10
【点拨】设木块原来的体积为V,第一次露出水面的体积为V1,第二次露出水面的体积为V2。当木块漂浮时,浮力等于重力,可两次列式求解。
【解答】原来木块漂浮时,有
ρ水g(V - V1)= ρ木gV ①
截去体积V1后,剩下的部分漂浮有
ρ水g(V - V1 - V2)= ρ木g(V - V1) ②
两式相减得 ρ水gV2= ρ木gV1
则 ρ木 = V2ρ水/V1 = 0.67×103(kg/m3),木块原来的体积V = (ρ水V1)/(ρ水 - ρ木)=72cm3
【答案】木块的密度为0.67×103kg/m3,体积为72cm3。
【反思】对于物体漂浮问题,应充分利用浮力等于重力列方程式。根据多次平衡状态,列出方程组,再通过加减乘除等方法化简农得结果。
21.4 强化训练
A卷
1、 氢气球总重力为20 N,在空气中受到向上的浮力为100 N,人用___________N的拉力作用在氢气球上,可使氢气球匀速下降。如果放开手,氢气球最多可携带_________N的重物匀速上升。
2、 潜水艇要从水中浮上来,要使潜水艇_______减小。髙空悬浮的气艇要下落,必须使气艇的______减小,从而使__________减小,才有可能。
3、 轮船由东海驶人黄浦江,所受的浮力是的,轮船排开液体的体积将_____(选填“增大”、“减少”或“不变”)。
4、 把两个体积相同的实心铁球和空心決球,全部浸入水中,则实心铁球受到的浮力__________空心铁球受到的浮力(选填“大于”、“小于”或“等于”)。
5、 阿基米德原理有着广泛的应用,请举出两个典型的应用实例:
(1)________________________;(2)_____________________________。
6、 关于物体的浮与沉,下列说法中正确的是 ( )
A、 浮在液面上的物体所受的浮力大于重力
B、 浮体材料的密度一定小于液体的密度
C、 密度等于液体密度的实心球能浮出液面
D、 材料密度大于液体密度的物体能浮在液面上时,一定是空心的
1、 体积为100cm3、密度为0.6×103kg/m3的木块浮在水面上,它受到的浮力是 ( )
A、等于0.98N B、等于0.588N C、大于0.98N D、小于0.588N
2、 潜水艇从水面下10 m深处潜到水面下15 m深处,潜水艇受到的 ( )
A、 浮力增大,压强增大 B、浮力不变,压强不变
C、浮力不变,压强增大 D、浮力增大,压强不变
3、 一只软木塞体积为5 cm3、密度为0. 25×103 kg/m3,将它浸没在酒精里和让它自由浮在酒精表面时,受到的浮力是 ( )
A、 浸没时受到的浮力小 B、浮在表面时受到的浮力大
C、浸没时受到的浮力大 D、两种状态下受到的浮力一样大
4、 三只相同的玻璃杯,分别盛有甲、乙、丙三种液体,现把一木块先后放人这三只杯中,如果ρ甲>ρ乙>ρ丙>ρ木,则木块 ( )
A、在甲液体里露出液面最高 B、在乙液体里露出液面最高
C、在丙液体里露出液面最高 D、在三种液体里露出的液面一样高
5、 如图21-11所示,把一个小球分别放人盛满不同液体的A、B两个溢杯中,A杯中溢出的液体是40g,B杯中溢出的液体是50g,则A、B两杯中液体的密度之比是 ( )
A、 等于4:5 B、小于4:5 C、大于4:5 D、无法确定
图21-11 图21-12
1、 如图21-12所示,已知甲、乙、丙三种物质的质量与体积的关系m-v图像,则甲、乙、丙的密度关系是 ( )
A、ρ甲<ρ乙<ρ丙,且ρ甲<ρ水 B、ρ甲>ρ乙>ρ丙,且ρ甲>ρ水
C、ρ甲<ρ乙>ρ丙,且ρ丙>ρ水 D、ρ甲>ρ乙<ρ丙,且ρ丙<ρ水
2、 如图21-13所示,木块A、铁块B在水中处于静止状态。此时若往水中加些盐,A、B两物体所受到的浮力FA、FB的变化情况为 ( )
A、 FA变大,FB变大 B、FA变小,FB变小
C、FA不变,FB变大 D、FA不变,FB变小
图21-13
3、 用手把一个铝球和一个铁球同时浸没在水中,放手后一球上浮,另一球下沉。下列说法中正确的是 ( )
A、 铝球一定上浮,铁球一定下沉 B、上浮的球一定是空心的
C、下沉的球一定是实心的 D、受到浮力大的球一定上浮
1、 —座冰山漂浮在水面上,露出水面的体积为V1,冰的密度为ρ1,水的密度为ρ2,则这块冰'受到的重力为 ( )
A、 B、 C、 D、
2、 体积为50 cm3的木块,浸人水中的部分占全部体积的3/5,求:
(1)木块受到的浮力;(2)木块的质量。
3、 如图21-14所示,某同学用弹簧测力计测得一物体重10 N,将该物体分别浸在甲、乙、丙容器中时,受到液体的浮力分别为:F甲=______N,F乙=______N,F丙 =______N。该同学分析甲、乙、丙可初步得出的结论是:浸在液体中的物体所受的浮力的大小与________、_________有关。
甲 乙 丙
(a) (b) (c) (d)
图21-14
4、 如图21 - 15所示,木块漂浮在水面上时,量筒内水面对应的刻度是V1;当木块上放一个小金属块时,水面对应的刻度是V2;若将小金属块取下慢慢地沉人筒底时,水面对应的刻度是V3,请用 V1、V2、/3、g为已知量求出下列各物理量的表达式:
图21-15
(1) 金属块的体积V = , (2)金属块受到的重力G= 。
B卷
1、 如图21-16所示,甲、乙两球用细线相连,放人水杯中,细线受的力为1N,两球正好悬浮在水中。如果细线断后,则甲球将 ,乙球将 。(选填“上浮”、“下沉”或“悬浮”)
图21-16
2、 体积相同的木块和冰块,它们都漂浮在水面上,则它们浸在水中的体积之比为 ,它们受到的浮力之比为 。(,)
3、 质量相同的木块和冰块,都漂浮在水面上,则它们排开水的体积之比为 ,它们受到的浮力之比为 。(,)
1、 甲、乙两实心球,甲的质量是乙的3倍,把它们都浸没在酒精中,甲所受到的浮力是乙的二
分之一,则甲、乙两球的密度之比为 。
2、 如图21 - 17所示,质量相等的两个物体放在水中后处于静止状态,它们的密度分别为、,受到的浮力分别为、,则( )
A、 B、 C、 D、
图21-17
3、 如图21 - 18所示,一个重为10 N的实心金属块,挂在弹簧测力计下并浸人水中(弹簧测力计未画出),当金属块体积的1/3浸入水中静止时,弹簧测力计的示数为8 N。当把金属块全部浸入水中并碰到杯底时,弹簧测力计的示数将变为 ( )
A、可能是2N B、可能是6N C、可能是8N D、以上答案都不对
图21-18
7、如图21 - 19所示,把同一金属圆台按A、B两种方式浸没在水中,则两种情况下,圆台受到的水的向上与向下压力差大小是 ( )
A、A方式大 B、B方式大 C、两种方式一样大 D、缺少条件,无法确定
图21-19
8、—容器中盛有重10 N的水,将一物体放入容器中,物体受到的浮力的大小 ( )
A、 —定等于10 N B、—定小于或等于10 N
C、 一定小于10 N D、有可能大于10 N
9、 一空心金属球的质量是0.5 kg,体积是600 cm3,把它投入水中,静止后它将( )
A、漂浮在液面上 B、悬浮在水中
C、沉人水底 D、以上三种情况都有可能
10、 质量是150 g的物体,放进盛满水的容器中时,溢出了140 cm3的水,则此物体将 ( )
A、沉到容器的底部 B、悬浮在水中
C、浮在水面 D、条件不足,无法确定
11、 一实心铁球和一实心铜球在空气中称等重,它们在真空中称则 ( )
A、仍相等 B、铁球重 C、铜球重 D、无法判定
12、 —质量均匀的物体悬浮于某种液体中,如果将此物体截成大小不等的两半,则 ( )
A、大的下沉,小的上浮 B、大、小两半都下沉
C、大、小两半都上浮 D、大、小两半都悬浮
9、 有一只空杯装满水后重20 N,放人一重为5 N1的木块后,溢出一些水,木块浮在水面上,这时杯子、水和木块共重 ( )
A、15 N B、20 N C、25 N D、无法确定
10、 在图21 - 20中,P、Q是两个台秤,上面各放一个盛有水的容器,P、Q的示数分别如图(a)所示,将物体浸没在水中,如图(b)所示,则P、Q的示数分别是 ( )
A、2. 0N 1.0N B. 1.9N 1. 1.N C、 2.1 N 1.1N D、 2. 0N 1. IN
图21-20
11、 —物体在空气中用弹簧测力计称得示数为0. 8 N,若物体全部浸没在水中时,弹簧测力计的示数是0.31 N。求:(1)物体受到的浮力;(2)物体的体积。
12、 体积为1 m3的物体浮在水面时,有2/5的体积露出水面,求:(1)物体受到的浮力;(2)物 体的质量;(3)组成物体的物质密度。
13、 —圆柱形容器底面积为2 dm2,里边装有水,在木块上压一石块,此时木块恰好没人水中, 水未溢出,将石块取走,水对容器底部的压强减小了1.96×103 Pa。求:(1)石块取走后,木块露出水面的体积;(2)石块的质量为多大?
9、 把体积为V的实心长方体放入水里,静止时长方体能浮在水面。现将它露出水面的部分切去,再把它剩余部分放人水中。若要求长方体剩余部分静止时,露出水面的体积V’与长方体的体积V的比值最大,,则长方体的密度为多少?
19、两质量相同的实心金属块,其密度之比,使它们完全浸没在密度为的液体中,然后分别挂在一根悬点O的轻质杠杆两端A、B上,如图21-21所示,则当杠杆平 衡时,两悬臂的长度之比L0A:LOB= 。
图21-21
作业参考答案与解析
A卷
1、 【答案】80,80
【解析】略
2、 【答案】自身重力,体积,浮力
【解析】略
3、 【答案】不变;增大
【解析】略
4、 【答案】等于
【解析】略
5、 【答案】轮船,汽艇
【解析】略
6、 【答案】D
【解析】略
7、 【答案】B
【解析】略
8、 【答案】C
【解析】略
9、 【答案】C
【解析】略
10、 【答案】A
【解析】略
11、 【答案】B
【解析】略
12、 【答案】B
【解析】略
1、 【答案】C
【解析】略
2、 【答案】B
【解析】略
3、 【答案】C
【解析】略
4、 【答案】(1)0294N,(2)0.03kg
【解析】略
5、 【答案】2,4,6,物体排开液体的体积V排,液体的密度
【解析】略
6、 【答案】(1)V3-V1,(2)
【解析】略
B卷
1、 【答案】上浮,下沉
【解析】略
2、 【答案】2:3, 2:3
【解析】略
3、 【答案】1:1, 1:1
【解析】略
4、 【答案】6:1
【解析】略
1、 【答案】B
【解析】略
2、 【答案】A
【解析】略
3、 【答案】C
【解析】略
4、 【答案】D
【解析】略
5、 【答案】A
【解析】略
6、 【答案】A
【解析】略
7、 【答案】B
【解析】略
8、 【答案】D
【解析】略
9、 【答案】B
【解析】略
10、 【答案】D
【解析】略
11、 【答案】(1)0.49N;(2)5×10-3m3
【解析】略
12、 【答案】(1)5880N;(2)600kg;(3)0.6×103kg/m3。
【解析】略
1、 【答案】(1)4×10-3m3(2)4kg
【解析】略
2、 【答案】0.5×103kg/m3
【解析】略
3、 【答案】3:2
【解析】略