应用浮力研究的问题是很多的,要善于抓住相同物理本质的题目,把它们抽象成同样的模型,这样才能举一反三,做一个题会一个题。
例题5 槽中水面上浮有一个木块,木块上压着一个铁块,如图7-甲所示,此时槽内水面位置在K处,若将铁块用细线系于木块下放入水中,如图7-乙所示,水面将如何变化?若将铁块取下放入水槽中沉入水底,如图7-丙所示,水面如何变化?
分析:如甲图所示木块与铁块浮于水面,F浮=G木+G铁,乙图所示相同的物理过程,只是铁块在下,木块在上,仍F浮=G木+G铁,所以水面不会变化。丙图所示则不然,当把铁块投入水中时,浮于水面的仅剩木块,浮力减小,水面会下降。
解:F浮1=ρ水gV排1=G木+G铁
F浮2=ρ水gV排2=G铁+G木
∴V排1=V排2,K=K′
F浮3=ρ水gV排3=G木<G木+G铁=ρ水gv排
∴V排3<V排1,![]()
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例题6 漂浮在水池中的小船上载有一些石块,若将石块抛于水中沉入池底,池中水面上升还是下降?(见图8) |
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分析:可把小船与石块简化成木块与铁块的模型,从图9中很容易得出湖面会下降的结论。
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例题7 如图10所示,杯中浮在水面上的是一块含铅粒的冰块,若冰熔解后,杯中水面如何变化? |
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分析:如图11
所示冰块与其中的铅粒可简化成木块与铁块的模型,自然很快会得出杯中水面下降的结论。
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例题8如图12 所示,杯中水面浮一块含木块的冰,若冰熔解后,杯中水面如何变化? |
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分析:如图13
所示,冰与其中的木块可简化成木块与铁块的模型。
因为冰中木块的密度小于水的密度,所以木块不能沉于水底,水对冰及木块的浮力不变,因此液面保持不变。
同样若冰中所含是蜡块等密度小于水的杂质,都是同样的物理本质,结论应同样是液面保持不变。
浮力是物体所受到的各种力的一种,因此研究浮力对物体的作用,必须遵从力的一般分析方法,即首先要确定研究对象,对所选对象进行全面的受力分析,然后找出各物理量之间的数学关系再动手计算,求出所要求的量。
例题3 盘秤上放一盛水容器,秤的示数为10牛顿。将一5牛顿的物体吊在弹簧秤下放入水中,如图3所示,求当弹簧秤示数为4牛时,容器下的盘秤示数为多少?
分析:物、水、秤连在一起互相之间有相互作用力,必须分开研究。对于每一部分作全面受力分析,列出平衡力的关系,才能计算出容器下盘秤的示数。如图4所示,F浮与
分别是水对物的浮力与物对水的反作用力,N与N′分别是秤对水的支持力与水对秤的反作用力。(盛水容器与秤看成一体)
解:T+F浮=G物 N=
+G水
F浮=
N=N′
∵T=4牛,G物=5牛
∴F浮=G物-T=5牛-4牛=1牛
∵G水=10牛
=F浮=1牛
∴N′=N=1牛+10牛=11牛
即容器下的盘秤的示数是11牛顿。
例题4 某物体漂浮于水中,如图5所示,将密度为5克/厘米3体积为V1的金属块放在该物上,整个物体刚好浸没在水中,若将体积为V2的同种金属块挂在该物体下也可以使其刚好浸没入水中,求V1与V2之比为多少?
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分析:根据题所给条件,物体与小金属块共同在重力和浮力作用下处于平衡状态,因此应选物体与金属块一起作为研究对象。如图6所示。 解:令物体体积为V,密度为ρ物,所受重力G: F浮=G1+G,即ρ水gV=ρ金gV1+ρ物gV |
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ρ金gV1=(ρ水-ρ物)gV
(ρ金-ρ水)gV2=(ρ水-ρ物)gV
∴ρ金gV1=(ρ金-ρ水)gV2
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浮力大小的计算可归纳为三种方法:
(1)求物体上下表面的压力差 F浮=F向上-F向下
(2)通过测量,从受力情况入手,由平衡条件推算出F浮=G-G′。其中G为物体在空气中的重力,G′为物体浸入液体中的视重(此时从弹簧测力计上显示的物重)。
(3)应用阿基米德定律 F浮=ρ液gV排 值得注意的是:应用以上方法计算浮力,要具体情况具体分析,首先要弄清每个公式的适用条件,物理意义,不可死背乱套。
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例题1:如图1所示,甲乙两个体积相等的实心球吊在弹簧测力计下,分别浸在水和酒精中静止。已知ρ甲=3ρ水,ρ乙=3ρ酒,ρ水>ρ酒。比较两个弹簧测力计示数的大小,下列判断正确的是(
)
A.挂甲球的示数大 B.挂乙球的示数大
C.两个示数一样大 D.无法确定哪个示数大 |
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分析与解答:依据关系式 F浮=G-G′可以变形为G′=G-F浮,此G′为物体的视重也就是弹簧测力计的示数。G甲=ρ甲gV甲,
,就有G甲′=ρ甲gV甲-ρ水gV甲=(3ρ水-ρ水)gV甲=2ρ水gV甲 。
同理可知G乙′=G乙-F浮乙=ρ乙gV乙-ρ酒gV乙
=(3ρ酒-ρ酒)gV乙=2ρ酒gV乙
∵V甲=V乙 ∴G甲′=2ρ水gV,G乙′=2ρ酒gV。
又∵ρ水>ρ酒 ∴G甲′>G乙′ 选A。
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例题2 只用一个弹簧测力计和一杯水,怎样测定一块合金的密度? 分析与解答 我们只要按照图乙所示的方法,读出两种情况下测力计G1与G2,就可以计算出物体的密度了。 从图中可以看出,这里G1就是合金块所受的重力,G2是合金块在水中时的视重(即弹簧测力计的读数)。合金块受到的浮力为F浮=G1-G2 |
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由阿基米德定理:F浮=G排水,且物体浸没时V排=V物,∴G1-G2=ρ水gV物
(1) 又∵G1=m物g,
(2)
式(2)除以(1)得
。
这是一个巧妙的方法,本来求密度是离不开测物体体积的,这里通过浮力的计算代替掉了,只用弹簧秤和水就可以了。既不用天平也不用量筒就可以求物体密度了。