题目内容

1.“曹冲称象”是家喻户晓的典故.某校兴趣小组模仿这一现象,制作了一把“浮力秤”.将直筒形的玻璃杯浸入水中,如图所示.已知玻璃杯的质量为100g,底面积为20cm2,高度为50cm.求:
(1)将杯子开口向上竖直放入水中时(注:水未进入杯内),求杯子受到的浮力.
(2)求此时杯子浸入水中的深度(即为该浮力秤的零刻度位置).
(3)求此浮力秤的最大称量(即玻璃杯中所放物体的最大质量).

分析 (1)由于该玻璃杯是一把“浮力秤”,它漂浮在水面上,所以它受到的浮力等于重力;
(2)可先根据阿基米德原理算出该玻璃杯在水中的V排,然后再用V排除以底面积,就可以算出杯子浸入水中的深度;
(3)当杯子下沉的深度为0.5米时,此时杯子受到的浮力最大,所以我们需要先算出杯子的体积,即为最大V排,然后根据阿基米德原理算出杯子受到的最大浮力,最后用最大浮力减去杯子重可得能称的最大物重,再利用G=mg求该浮力秤的最大称量.

解答 解:
(1)杯子的重力:G=mg=0.1kg×10N/kg=1N,
因为杯子漂浮在水面上,所以F浮=G=1N;
(2)由F浮=ρ水gV排得此时杯子排开水的体积:
V排=$\frac{{F}_{浮}}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{1N}{1×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×10N/kg}$=1×10-4m3,
此时杯子浸入水中的深度:
h=$\frac{{V}_{排}}{S}$=$\frac{1×1{0}^{-4}{m}^{3}}{20×1{0}^{-4}{m}^{2}}$=0.05m;
(3)当杯子下沉的深度为0.5m时,此时杯子受到的浮力最大,
F浮′=ρ水gV排′=1.0×103kg/m3×10N/kg×20×10-4m2×0.5m=10N,
最大物重G最大=F浮′-G=10N-1N=9N,
则此浮力秤的最大称量为:m最大=$\frac{{G}_{最大}}{g}$=$\frac{9N}{10N/kg}$=0.9kg.
答:(1)将杯子开口向上竖直放入水中时,杯子受到的浮力是1N.
(2)此时杯子浸入水中的深度是0.05m.
(3)此时浮力秤的最大称量为0.9kg.

点评 本题中计算浮力用到了两种方法:一是利用阿基米德原理去计算(它是通用公式),二是根据F浮=G去计算(它只适合于漂浮或悬浮).要明确:物体在液体中受到的浮力有一个最大值,那就是当物体浸没在液体中时,V排=V物.不过该题中玻璃杯是不能浸没在液体中的,因为它的上端是开口的.

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