专题4水的浮力（解析版）

专题4水的浮力一．选择题（共7小题）1．（2023•绍兴）2023年3月，“探索一号“科考船完成了首次环大洋洲载人深潜科考任务，搭载的“奋斗者”号多次完成了深度超过万米的下潜。不考虑海水密度与潜水器体积的变化，潜水器在海面下下潜的过程中（）A．浮力不变，压强变大 B．浮力变大，压强变大 C．浮力变大，压强不变 D．浮力不变，压强不变【解答】解：潜水器在水面下下潜过程中，排开水的体积保持不变，所处的深度变大，由F浮＝ρgV排可知，潜水器所受的浮力保持不变；由p＝ρgh可知，潜水器所受水的压强变大。故选：A。2．（2023•浙江）将装满水的溢水杯放在天平左盘，砝码放右盘，调节天平至指针指向分度盘中央。向溢水杯里轻放一个密度比水小的蜡块，待蜡块静止，排开的水全部流入量筒后（如图），下列有关说法正确的是（）A．天平指针仍指向分度盘中央刻度 B．蜡块受到的浮力大于蜡块的重力 C．量筒中水的质量小于蜡块的质量 D．量筒中水的体积等于蜡块的体积【解答】解：调节天平至指针指向分度盘中央，向溢水杯里轻放一个密度比水小的蜡块，待蜡块静止时，它排开水的重力等于它的重力，故天平指针仍指向分度盘中央刻度。故选：A。3．（2022•湖州）两个边长相同、材料不同的实心正方体甲和乙，用质量不计的细线连接，轻轻放入某液体中，静止后悬浮，细线处于绷紧状态，如图所示。则（）A．甲受到的浮力比乙受到的浮力大 B．甲的密度与液体的密度相等 C．如果将细线剪断，甲、乙再次静止后，容器底部受到的压力大小不变 D．如果将细线剪断，甲、乙再次静止后，容器底部受到液体的压强不变【解答】解：A、甲和乙两个正方体棱长相同，则根据体积公式可知其体积相等，两个正方体都浸没在同一液体中，则其排开液体的体积相等，根据F浮＝ρ液gV排可知，甲受到的浮力等于乙受到的浮力，故A错误；B、把甲和乙作为一个整体，甲和乙在液体中静止时悬浮，根据物体浮沉条件可知，甲和乙的平均密度等于液体的密度，而甲和乙由不同材料制成，其密度不同，所以甲的密度与液体的密度不相等，故B错误；C、柱形容器中，容器底部受到的压力大小等于容器内液体和物体的总重力，如果将细线剪断，甲、乙再次静止后，容器内液体和物体的总重力不变，则容器底部受到的压力大小不变，故C正确；D、根据题意可知，细线处于绷紧状态，如果将细线剪断，甲、乙再次静止后，甲将漂浮在液面上，则甲和乙排开液体的总体积变小，液体深度变小，根据p＝ρ液gh可知，容器底部受到液体的压强变小，故D错误。故选：C。4．（2022•舟山）学习了物体的浮沉条件后，小舟做了如下实验：在两个薄气球中加满温水，扎紧后剪去多余部分，分别浸没于盛有冷水与热水的玻璃杯中（如图）。若不计气球自重，放手后两气球的运动情况是（）A．冷水、热水中都下沉 B．冷水中下沉，热水中上升 C．冷水、热水中都上升 D．冷水中上升，热水中下沉【解答】解：温水的密度小于冷水的密度，由物体的浮沉条件可知，装温水的气球在冷水中上浮；温水的密度大于热水的密度，由物体的浮沉条件可知，装温水的气球在热水中下沉，故D正确。故选：D。5．（2021•宁波）将密度为0.9g/cm3、边长为10cm的立方体冰块，放入盛有水的柱状容器中，静止时冰块有2cm露出水面，如图所示。对容器缓慢加热，直至冰块完全熔化。在冰熔化过程中，下列判断与事实不符的是（）A．冰吸收热量，温度保持不变 B．水面高度始终保持不变 C．冰块漂浮之后，受到的浮力逐渐变小 D．水对容器底部的压力最多增大1.0N【解答】解：A、冰是晶体，在冰熔化过程中，吸收热量，温度不变；故A正确；B、由图可知，静止时冰块排开水的体积为：V排＝S冰（L冰﹣h露）＝L冰2（L冰﹣h露）＝（10cm）2×（10cm﹣2cm）＝800cm3；当冰块完全熔化后，熔化为水的质量和冰的质量相同，即：ρ水V冰化水＝ρ冰V冰，所以，V冰化水=ρ冰ρ水V冰=0.9g/c则：V冰化水＞V排，即熔化为水的体积大于原来排开水的体积，故液面高度升高，故B错误；C、冰块漂浮之后，由于冰处于熔化中，则冰的重力逐渐变小，根据漂浮条件可知受到的浮力与重力相等，所以浮力逐渐变小，故C正确；D、由于容器是柱状容器，水对容器底部的压力与液体的重力相等，当冰块完全熔化时水对容器底部的压力最大，则水对容器底部增加的压力为：ΔF＝G冰﹣G排＝ρ冰V冰g﹣ρ水V排g＝0.9×103kg/cm3×（0.1m）3×10N/kg﹣1.0×103kg/cm3×800×10﹣6m3×10N/kg＝1N，故D正确。故选：B。6．（2021•浙江）如图所示，潜水员正潜没在海水中，他携带的气瓶可以对身上的背心进行充气或放气，以改变背心的体积大小来实现浮沉。下列对潜水员分析正确的是（）A．向海底下潜过程中，受到海水的压强变大 B．海水中水平游动时，受到海水的压强变小 C．对背心进行放气后，受到海水的浮力变大 D．对背心进行充气后，受到海水的浮力变小【解答】解：AB.海水的密度ρ海水不变，根据p＝ρgh可知，在下潜过程中，深度增加，受到的海水的压强变大，水平游动时，深度不变，受到的海水的压强不变，故A正确、B错误；CD.海水的密度ρ海水不变，根据F浮＝ρ液v排g可知，对背心进行放气后，排开水的体积变小，受到海水的浮力变小，对背心进行充气后，排开水的体积变大，受到海水的浮力变大，故CD错误。故选：A。7．（2021•绍兴）如图所示，已知鸡蛋的质量为55克，体积为50立方厘米。将鸡蛋放在盛有清水的玻璃杯里，鸡蛋沉入杯底（图甲）；逐渐将食盐溶解在水中，鸡蛋恰好悬浮（图乙）；继续溶解食盐，最终鸡蛋漂浮（图丙）。下列说法正确的是（）A．图甲中鸡蛋所受浮力为0.55牛 B．图乙中盐水的密度是1.1×103千克/米3 C．图丙中鸡蛋所受浮力大于鸡蛋自身重力 D．图中三种状态下浮力的大小关系是F甲＜F乙＜F丙【解答】解：A、图甲中鸡蛋处于沉底状态，则浮力小于重力，鸡蛋的重力为G＝mg＝0.055kg×10N/kg＝0.55N，即浮力小于0.55N，故A错误；B、鸡蛋的密度为：ρ=mV=55g50cm3=1.1g/cm3＝1.1×10C、图丙中鸡蛋漂浮，所受浮力等于鸡蛋自身重力，故C错误；D、图甲中鸡蛋处于沉底状态，则浮力小于重力；图乙中鸡蛋悬浮在液体中时，浮力等于重力；图丙中鸡蛋漂浮，所受浮力等于鸡蛋自身重力，所以三种状态下浮力的大小关系是F甲＜F乙＝F丙，故D错误。故选：B。二．填空题（共4小题）8．（2023•金华）“深海勇士号”是中国第二台深海载人潜水器。2023年5月20日，国家文物局利用该潜水器在沉船附近完成水下永久测绘基点布放，并进行了初步搜索调查和影像记录，开启了中国深海考古新篇章。回答下列问题。（1）下潜过程中，“深海勇士号”潜水器受到海水的压强将变大（选填“变大”“变小”或“不变”）。（2）若“深海勇士号”潜水器悬停在水下4000米处考察，此时潜水器总质量为α千克，则它受到的浮力为10a牛。【解答】解：（1）根据液体压强公式p＝ρgh可知下潜过程中“深海勇士号”潜水器受到海水的压强将变大；（2）若“深海勇士号”潜水器悬停在水下4000米处考察，悬浮时受到的浮力等于重力，此时潜水器总质量为α千克，则它受到的浮力为F浮＝G＝mg＝akg×10N/kg＝10a牛。故答案为：（1）变大；（2）10a。9．（2023•丽水）2023年3月11日，“奋斗者”号载人潜水器圆满完成了国际首次环大洋洲载人深潜科考任务。“奋斗者”号外壳坚硬，下潜过程中体积保持不变，依靠调整配备的压载铁来实现下潜和上浮。（1）潜水器浸没后在下潜的过程中所受的液体压强逐渐增大。（2）潜水器悬浮在海水中时，所受的浮力等于重力（填“大于”、“小于”或“等于”）。【解答】解：（1）“奋斗者”号载人潜水器在下潜的过程中，海水密度不变，深度变大，由p＝ρ液gh可知，潜水器所受海水的压强将逐渐增大；（2）根据物体悬浮条件可知，潜水器悬浮在海水中时所受的浮力大小等于重力。故答案为：（1）增大；（2）等于。10．（2022•宁波）2022年4月28日，“巅峰使命”珠峰科考全面启动。5月15日凌晨1点26分，中国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇从海拔4300m的科考营地顺利升空，4点40分达到海拔9032m，超过珠峰8848.86m的高度，创造了浮空艇大气科学观测的世界纪录。（1）该浮空艇总质量约2625kg，它受到重力的大小约为26250N；（2）已知海拔4300m处的空气密度约为0.8kg/m3。如图所示，该浮空艇在营地升空前体积达9060m3，此时浮空艇受到的浮力大小约为72480N；（3）“极目一号”浮空艇内部有三层：上层装有氦气（相同条件下氦气密度比空气小得多），中间隔开，下层是空气。当悬于空中的浮空艇需要上浮（填“上浮”或“下降”）的时候，可以用上层的氦气排出下层的部分空气，以此改变自身重力，同时使整个浮空艇的压强差在安全范围内。【解答】解：（1）浮空艇受到的重力为：G＝mg＝2625kg×10N/kg＝26250N；（2）浮空艇受到的浮力大小为：F浮＝ρ气gV排＝0.8kg/m3×10N/kg×9060m3＝72480N；（3）由于相同条件下氦气密度比空气小得多，当用上层的氦气排出下层的部分空气时，浮空艇的重力减小，而浮空艇的体积可认为不变，外部空气的密度大于内部气体的密度，根据阿基米德原理可知，浮空艇受到的浮力大于自身的重力，从而上升到空中。故答案为：（1）26250；（2）72480；（3）上浮。11．（2022•温州）排气阀是供暖设备中的重要部件，它能及时排出管内热水汽化产生的气体，使水正常流动，从而保证供暖效果。排气阀工作原理如图所示：水中气体在流动过程中，积聚于封闭的排气阀内，使阀内气压变大，浮筒随水面一起下降，此时阀内气体排出使气压变小，从而浮筒上升，堵杆重新堵住排气孔。（1）水管内的水流速度至少达到0.25米/秒才能携带气泡流动。若水管总长为60米，要使水流能携带气泡流动，则水从水管起始端流到终端最多要多少时间？（2）排气阀中的浮筒和堵杆总质量为0.02千克，计算排气阀排气时浮筒浸在水中的体积。（水的密度取1.0×103千克/米3）【解答】解：（1）由v=st=s（2）由图可知，排气阀排气时浮筒处于漂浮状态，则此时浮筒所受的浮力为：F浮＝G＝mg＝0.02kg×10N/kg＝0.2N，由阿基米德原理可知，排气阀排气时浮筒浸在水中的体积为：V排=F浮ρ水g=答：（1）水从水管起始端流到终端最多要240s；（2）排气阀排气时浮筒浸在水中的体积为2×10﹣5m3。三．实验探究题（共1小题）12．（2021•金华）某校“制作浮力秤”项目研究小组，制成如图所示浮力秤。使用过程中，发现称量范围较小，有待提升改造。【原理分析】浮力秤是利用物体漂浮时F浮＝G物的原理工作的；浮力大小与液体密度和物体排开液体的体积有关。【问题提出】浮力大小与液体密度存在怎样的定量关系？【方案设计】器材：悬挂式电子秤、金属块（4.0N）、大烧杯、水以及各种不同密度的溶液等。步骤：①将金属块挂在电子秤下，读取电子秤示数并记录；②将金属块浸没在盛水的烧杯中，读取电子秤示数并记录，然后取出金属块擦干；③按照步骤②的操作，换用不同密度的溶液，多次重复实验。【数据处理】实验编号1234567液体密度ρ液（g/cm3）﹣0.81.01.21.41.92.0电子秤示数F拉（N）4.03.63.53.43.32.63.0浮力大小F浮（N）﹣0.40.5x0.71.41.0【交流分析】（1）表格中x的数据是0.6；（2）实验过程中，除步骤①外，其余每一次测量，金属块都需要浸没，其目的是控制金属块排开的液体的体积相同；（3）小组同学对实验数据进行了分析讨论，认为第6次实验数据异常。若电子秤正常工作、电子秤读数和表中数据记录均无误。则造成此次实验数据异常的原因可能是金属块碰到烧杯底部。【得出结论】……【知识应用】（4）根据以上探究，写出一种增大浮力秤称量范围的方法换用密度比水大的液体。【解答】解：（1）根据2、3、5组的实验数据可知，金属块受到的重力为：G＝F拉+F浮＝3.6N+0.4N＝3.5N+0.5N＝3.3N+0.7N＝4.0N；第4组实验中，拉力的大小为3.4N，则受到的浮力为：F浮＝G﹣F拉＝4.0N﹣3.4N＝0.6N；（2）探究浮力大小与液体密度的关系时，根据控制变量法可知，需要控制金属块排开的液体的体积相同，除步骤①外，其余每一次测量，金属块都需要浸没，金属块排开的液体的体积等于金属块的体积，其目的是控制金属块排开的液体的体积相同；（3）电子秤正常工作、电子秤读数和表中数据记录均无误，每次实验时金属块都需要浸没，则V排相同，第6次实验数据与第3次实验数据相比，液体密度大约是原来的2倍，而浮力是原来的2.8倍，说明测得的浮力偏大，原因可能是金属块碰到烧杯底部，造成测力计的示数偏小，由F浮＝G﹣F示可知测得的浮力偏大；（4）根据以上探究结果，对于图中的浮力秤，要增大浮力秤的称量范围，即增大浮力秤受到的浮力，在V排不变时，可以换用密度比水大的液体。故答案为：（1）0.6；（2）控制金属块排开的液体的体积相同；（3）金属块碰到烧杯底部；（4）换用密度比水大的液体。四．解答题（共4小题）13．（2023•温州）我国某地使用“沉管法”建跨海隧道：用钢筋水泥等材料浇筑若干个中空管段，用隔墙封闭两端并使其漂浮在水中；用拖船牵引至指定位置，向管段中的水箱注水使其下沉（如图）；对下沉的多个管段进行依次连接，拆除隔墙形成隧道。（1）拖运管段时，若速度为2千米/时，拖运距离为3千米，需要1.5小时。（2）图中，当往水箱中注水的质量为6×104千克时，管段刚好能够在水下匀速缓慢下沉。若管段排开水的体积为3.06×103米3，则注水前管段与水箱的总质量为多少千克？（海水密度取1.0×103千克/米3）（3）管段隔墙设计需要考虑其下沉到海底时受到的压力大小。这一压力的大小与哪些因素有关？管段隔墙下沉到海底时受到的压力大小与海水的密度、海底深度、隔墙面积等有关。【解答】解：（1）拖动管段所用的时间t=s（2）管段受到的浮力F浮＝ρ液gV排＝1.0×103kg/m3×10N/kg×3.06×103m3＝3.06×107N；管段匀速下沉，根据二力平衡可得，注水后管段的总重力G总＝F浮＝3.06×107N；则注水前管段与水箱的总质量m=G总g−m水=3.06×1（3）由p=FS知物体在海水中受到的压力与其受到的压强和受力面积有关；由p＝ρ答：（1）1.5。（2）注水前管段与水箱的总质量为3.0×106kg。（3）管段隔墙下沉到海底时受到的压力大小与海水的密度、海底深度、隔墙面积等有关。14．（2021•杭州）小金把家里景观水池底部的鹅卵石取出清洗。他先将一个重为10N的空桶漂浮在水面上，然后将池底的鹅卵石捞出放置在桶内，桶仍漂浮在水面。（不考虑捞出过程中带出的水，ρ水＝1.0×103kg/m3）（1）空桶漂浮在水面时所受浮力大小。（2）鹅卵石捞出放置在桶内时，水池水面高度与鹅卵石未捞出时相比会上升（选填“上升”、“下降”或“不变”）。若此时桶排开水的体积为6.0×10﹣3m3，求桶内鹅卵石的质量。【解答】解：（1）空桶漂浮在水面上，所以浮力等于重力，即F浮＝G桶＝10N；（2）鹅卵石捞出前沉底，浮力小于重力，即F浮1＜G，将鹅卵石捞出放置在桶内时，鹅卵石与小桶都处于漂浮状态，此时鹅卵石的浮力等于重力，即F浮2＝G，所以F浮1＜F浮2，即鹅卵石捞出放置在桶内时鹅卵石的浮力变大，根据F浮＝ρ液gV排知排开水的体积变大，水池水面高度与鹅卵石未捞出时相比会上升；鹅卵石捞出放置在桶内时的浮力为：F浮′＝ρ水gV排′＝1.0×103kg/m3×9.8N/kg×6.0×10﹣3m3＝58.8N，桶内鹅卵石的重力为：G石＝F浮′﹣G桶＝58.8N﹣10N＝48.8N，鹅卵石的质量为：m石=G答：（1）空桶漂浮在水面时所受浮力大小为10N；（2）上升；桶内鹅卵石的质量为5kg。15．（2021•温州）图甲所示为一种水下滑翔机，图乙是其部分结构示意图。该滑翔机通过液压泵将油在内、外油囊间来回转移，从而改变浮力大小以达到上浮和下潜的目的，再结合其它技术即可滑行，以执行海洋环境的监测任务。（1）该滑翔机具有低能耗、高续航的特点，电池一次充电后能提供1千瓦时电能。它在整个运动过程中前进速度保持0.2米/秒，但只有9%的时间耗电，耗电时功率仅为4瓦。该滑翔机充电一次总共能航行