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文档简介
专题12浮力的综合计算及分析
一'如何计算及分析浮力综合题?
【方法技巧】浮力综合题是指某两种或某几种计算浮力的方法相融合,利用计算浮力的方法的展开式解答
与之相关联的物理量,如求物体的密度、液体的密度、物体的质量、排开液体的体积等。常见的浮力综合
题主要有两类:称重法与阿基米德原理综合;漂浮、悬浮条件与阿基米德原理综合。
如何解答浮力计算题,方法总结如下:
(1)明确研究对象所处的浮沉状态及运动状态,即物体是“漂浮”、“悬浮”还是“被绳或弹簧秤吊着静止或
做匀速直线运动”。审题时要抓住题目中的关键词语和信息,找出隐含条件,确定是哪一类问题,找出适当
的公式。如:看到“漂浮”“悬浮”“露出水面”“轮船在海上航行”等信息,确定用漂浮或悬浮法和阿基米德原理
结合解题,列出相应公式/滓=G物和/浮=3排;看到“弹簧测力计吊着物体“,确定用称重法和阿基米德原理
结合解题,列出相应的公式/n—G-F拉和Fif=G排;
(2)正确分析研究对象在竖直方向上的受力情况,并画出物体的受力示意图,在图中标出已知力与未知力;
(3)根据研究对象所处的状态列出力平衡方程,然后根据所求的未知量对公式进行合理变形或展开。用已
知量和未知量来表示力;
如下浮=G«,,可以变形为"浪gV排=?胸丫我g即〃浪V排.V物。变形后,此类型题可以求的物理量(密度和体
积)有四个:"液、V排、"物、V物,任意知道三个量,可求第四量。
(4)代入数值求解。
【温馨提醒】:①当物体受到几个力的作用时,首先应对物体进行受力分析,找出这些力之间的关系,再
代入公式、物理量求解。在浮力计算中若遇到连接体、叠加体时,通常用整体法进行巧妙处理。②涉及两
个物理状态的浮力问题,往往要对两个状态下的物体分别进行受力分析,根据力的平衡原理,列出两个方
程,通过解方程得出结果。
【典例剖析】
1.如图,在底面积为S的圆柱形水槽底部有一个金属球,圆柱型的烧杯漂浮在水面上,此时烧杯底受到水
的压力为入。若把金属球从水中捞出放在烧杯里使其底部保持水平漂浮在水中,此时烧杯底受到水的压力
为尸2,此时水槽底部受到水的压强与捞起金属球前的变化量为0,水的密度为0次。根据上述条件可知金属
球捞起放入烧杯后()
A.圆柱形水槽对桌面的压强变大B.烧杯受到的浮力为
C.金属球受的支持力为尸2-B-pSD.水槽底部受到水的压力变化了pS
【答案】D
【解析】
A.圆柱形水槽对桌面的压力等于水槽、水、金属球、烧杯的总重力,金属球捞起放入烧杯后,总重力不变,
受力面积不变,由。=与得到圆柱形水槽对桌面的压强不变,故A不符合题意;
B.因为圆柱型的烧杯漂浮在水面上,由浮力产生的原因可知,烧杯受到的浮力等于下表面受到的压力E,
故B不符合题意;
C.金属球捞起放入烧杯后,处于漂浮状态,烧杯受到的浮力变化
AF行Fz-Fi=G
金属球放在烧杯内时受到的支持力
F=G=F2-F1
故C不符合题意;
D.水槽底部受到水的压力变化量为
AFs=pS
故D符合题意。
故选D。
2.学了液体压强知识后,同学们争先恐后地动手做实验探究液体压强的特点。
(I)姗姗选择如图甲的探究器材,他把调好的压强计放在空气中时,发现u形管两侧液面不相平,接下来
的操作是;
(2)姗姗把金属盒分别浸入到两种液体中,发现甲图中U形管两边的液柱高度差较小,认为图乙的液体密
度小,你认为他的结论是(选填“可靠的”或“不可靠的”);
(3)若将调节好的压强计移到海拔三千多米高山研究液体压强特点,你认为是否需要对仪器进行重新调节
(选填“需要”或“不需要”);
(4)如果所用的压强计的U形管可以选择染色的酒精、水、水银S游铲。次夕水铲)中的一种液体,为了使
实验现象更明显,他应该选用上述三种液体中的装入U形管中;
(5)霞霞选择如图丙的探究器材,容器中间用隔板分成大小相同且互不相通的A,B两部分,隔板下部有
一圆孔用薄橡皮膜封闭。橡皮膜两侧压强不相等时,会向压强小的一侧凸起。探究“液体压强与液体密度的
关系”时,左右两边液体应满足要求:;
(6)探究“液体压强与液体深度的关系”时,霞霞同学在A,8两侧倒入深度不同的水后,实验现象如丁图。
由该实验现象得出结论:在液体密度相同时,液体______越大,液体压强越大;
(7)实验中在A、8两侧分别倒入水和某种液体,当橡皮膜相平时,如图戊两侧深度为12cm、10cm,则液
体的密度为g/cm3;
(8)在如图戊中,若把甲、乙两个物体分别放入水和液体中,两物体都漂浮,且液体都不溢出,此时观察
到橡皮膜向左凸起,则两物体的质量加/_____m乙(选填“<”、"=”或“>”)。
【答案】拆除橡皮管重新安装不可靠需要酒精深度相同,密度不同深度L2<
【解析】
(I)[I]实验前应调节好压强计,当调节好的压强计放在空气中时,u形管两边的液面不相平,说明橡胶管
内密封的气体压强偏大或偏小,为让橡胶管内的气压与外界的大气压相等,则应将橡胶管拔下重新安装。
(2)[2]把金属盒分别浸入到两种液体中,没有控制金属盒所在的深度相同,则不能比较密度的大小,故他
的结论是不可靠的。
(3)[3]大气压与海拔高度有关,将调节好的仪器移到海拔三千多米高山研究液体压强特点,需要对仪器进
行重新调节,理由是压强计外部的大气压变低了,而橡胶管内密封的气压没有改变。
(4)[4]压强计是通过U形管中液面的高度差来反映被液体内部压强大小的。液面高度差越大,液体产生的
压强越大。如果被测液体压强大小相同,U形管中液体密度越小,U型管液面高度差越大,实验效果更明
显,因此应该选择密度最小的染色的酒精装入U形管中。
(5)⑸液体内部的压强大小与液体的密度和深度有关,探究“液体的压强与液体密度的关系”时,应保持容
器中A、B两侧液体的深度相同,而让液体的密度不同。
(6)[6]由图丁可得,两容器中都倒入水,液体的密度相同,图中橡皮膜向深度较小的左侧凸起,则深度较
小的左侧液体的压强较小,则可以得到:在液体密度相同时,液体深度越大,液体的压强越大。
(7)[7]橡皮膜相平,说明A、B两侧压强相等,则有
P液gh资p水gh水
则液体的密度
333
夕波=水=1-"x1xICP依/=1.2xlOZ:g/m=1,2g/cm
gh液10cm
(8)[8]甲、乙两个物体分别放入水和液体中时都漂浮,由浮沉条件可知,物体所受浮力等于物体的重力,
即
Gip=F浮产p*gV水gS底Ah水.......①
Gz-Fffz=p/ggV排祈piggS底Mi彼...②
未放入物体时,橡皮膜相平,则有0次?击把甲、乙两个物体分别放入水和液体中,橡皮膜向左凸起,则
有p'Fp),则橡皮膜两侧增加的压强
△P'后P'MP/<Ap%=p'ig-p海
则有
p"Ah次<0^g\h海...③
由①②③式可得,G郭G乙,根据机=一可知,m<m
gvz
3.如图甲,水平放置的平底柱形容器A。不吸水的正方体木块B,边长为10cm,静止在容器中央。质量体
积忽略的细线一端固定在容器底部,另一端固定在木块底面中央,且细线的长度Z=9cm,现缓慢向容器中
加水,当加入1200cm3的水时,木块B对容器底部的压力刚好为0N。如图乙,此时容器中的水深度为6cm。
求:
(1)此时容器底部所受水的压强;
(2)木块B的重力;
(3)若继续缓慢向容器中加水,当容器中水的总体积为4620cm3时,停止加水,如图丙,此时将与B相连
的细线剪断,当木块静止时,水对容器底部压强的变化量是多大?(整个过程中无水溢出,不计绳子长度
变化)
AAA
BB|
¥乙
【答案】(1)600Pa;(2)6N;(3)120Pa
【解析】
解:(1)由题知,容器中的水深度为6cm,此时容器底部所受水的压强
33
p=py^gh=1.Ox10kg/mx10N/kgx0.06m=600Pa
(2)当加入1200cm3的水时,水深〃=6cm,木块B对容器底部的压力刚好为ON,即木块恰好漂浮,木块
排开水的体积
3
=SBh=1Ocmx10cmx6cm=600cm
木块B的重力
333
Q=4孚=夕水g%p=1.0xl0kg/mxlON/kgx600x10^m=6N
(3)由图乙知,物体排开的体积和水的总体积为
容器的底面积
S=咻+-=600cm3+1200cm,=300cli
h6cm
由图丙知,细线被拉直,所以木块下表面以下水的体积为
匕=S容L=300cm2x9cm=2700cm3
木块下表面以上水的体积为
%%_K=4620cm3-2700cm3=1920cm3
设此时木块浸入水的深度为",则木块下表面以上水的体积为
v2=(s#-sph'
所以木块浸入水的深度
1920cm
=9.6cm
2
S容-S木300cm-lOcmxlOcm
此时木块排开水的体积为
%,=5木〃=10cmxl0cmx9.6cm=960cnr
若将细线剪断木块将上浮,当木块静止时漂浮,细绳剪断前、剪断后,排开水的体积变化量
=%'-5=960cm3-600cm3=360cm3
则水的深度变化量
,AVut360cm3..
△4h=———=-------=1.2cm=0.012m
S容300cm2
所以水对容器底部压强的变化量
2=/?水gA/z=lxlO3kg/m3xlON/kgx0.012m=120Pa
答:(1)此时容器底部所受水的压强600Pa;
(2)木块B的重力6N;
(3)若继续缓慢向容器中加水,当容器中水的总体积为4620cm3时,停止加水,如图丙,此时将与B相连
的细线剪断,当木块静止时,水对容器底部压强的变化量是120Pa。
4.如图甲所示,水平的桌面上放置底面积为100cm2、质量为500g的圆筒,桶内装有某种液体,弹簧测力
计下悬挂底面积为50cm2,高为16cm,重为10N的圆柱体,将圆柱体从液体表面逐渐浸入直至完全浸没,
弹簧测力计示数厂随圆柱体浸入液体的深度h的变化关系如图乙所示。当圆柱体浸入到与容器底部接触但
对容器没有压力时,此时圆柱体上表面到液体表面的距离为4cm。g取10N/kg(可以忽略圆筒的厚度,绳重,
过程中液体没有从筒中溢出),求:
(1)圆柱体完全浸没时受到的液体浮力是多少?
(2)筒内液体密度是多少?
(3)当圆柱体完全浸没时,圆筒对桌面的压强是多少?
【答案】(1)8N;(2)lxlO3kg/m3;(3)2300Pa
【解析】
解:(1)圆柱体的重力G斫:ION,从图乙可知,圆柱体全部浸没在液体中测力计的示数为2
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