三、浮沉条件的应用
1. 探究鸡蛋在盐水中的浮与沉。
实验器材:玻璃杯、食盐、水、鲜鸡蛋。
实验过程:
(1)配制一杯浓盐水(往水中加食盐并搅拌,放置几分钟,再加食盐并搅拌……直到食盐不再溶解)。
(2)把一个鸡蛋轻轻放入浓盐水中,观察鸡蛋在盐水中的位置。
(3)向浓盐水中缓缓倒入水并轻轻搅拌,观察鸡蛋露出水面的体积变化。尝试能否让鸡蛋全部浸入水中,并可停留在水中的任何深度。
(4)继续倒入水,能否让鸡蛋沉入水底?
实验分析和讨论:你能尝试解释观察到的现象吗?
2. 阅读教科书第 90 页“读一读”的内容,然后思考、讨论下列问题。
潜艇采用什么方法实现下潜、悬浮或上浮?试根据浮沉条件分析其原因。
3. 实际生活中还有哪些应用浮沉条件的实例?
答案:鸡蛋放入浓盐水时,因为浓盐水密度$ρ_{盐水}$大,根据$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}(V_{排}$为鸡蛋排开液体体积,此时$V_{排}$等于鸡蛋体积$V_{蛋})$,$F_{浮}> G_{蛋}(G_{蛋}$为鸡蛋重力),鸡蛋漂浮。
加水时,盐水密度$ρ_{盐水}$变小,由$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}$,$G_{蛋}$不变,$F_{浮}$变小,为保持$F_{浮}=G_{蛋}($漂浮条件),$V_{排}$增大,鸡蛋露出水面体积变小。当盐水密度$ρ_{盐水}'$满足$ρ_{盐水}'=ρ_{蛋}$时,根据悬浮条件$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}=ρ_{蛋}gV_{蛋}=G_{蛋}$,鸡蛋可全部浸入水中并悬浮(停留在任何深度)。
继续加水,盐水密度$ρ_{盐水}''<ρ_{蛋}$,由$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}$,$F_{浮}< G_{蛋}$,鸡蛋下沉。
潜艇通过改变自身重力实现下潜、悬浮或上浮。
下潜:向水舱充水,$G_{艇}$增大,当$G_{艇}> F_{浮}(F_{浮}$为潜艇受到浮力,$F_{浮}=ρ_{海水}gV_{排}$,$V_{排}$为潜艇体积不变),潜艇下潜。
悬浮:水舱水量调整合适,使$G_{艇}=F_{浮}$,潜艇悬浮。
上浮:用压缩空气排水,$G_{艇}$减小,当$G_{艇}< F_{浮}$,潜艇上浮。
轮船:采用“空心”办法,增大排开水体积$V_{排}$,使$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=G_{船}(G_{船}$为轮船重力),漂浮在水面。
密度计:根据漂浮时$F_{浮}=G_{密}(G_{密}$为密度计重力不变),$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}$,浸入液体体积$V_{排}$不同,可测液体密度$(ρ_{液}=\frac {G_{密}}{gV_{排}})$。
热气球:加热空气,使球内空气密度$ρ_{内}<ρ_{外}($外界空气密度),$F_{浮}=ρ_{外}gV_{球}> G_{球}(G_{球}$为热气球总重力),热气球上升 。
解析:
【分析】
我们解题的核心是运用物体浮沉条件(漂浮:$F_{浮}=G$,$\rho_{液}>\rho_{物}$;悬浮:$F_{浮}=G$,$\rho_{液}=\rho_{物}$;下沉:$F_{浮}<G$,$\rho_{液}<\rho_{物}$)和阿基米德原理($F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$),分场景逐一分析:
1. 鸡蛋在盐水中的浮沉:鸡蛋重力不变,通过分析盐水密度变化对浮力的影响,结合浮沉条件判断鸡蛋状态:浓盐水密度大,浮力大于重力,鸡蛋漂浮;加水稀释后盐水密度减小,浮力减小,为维持漂浮排开体积增大,露出体积变小;当盐水密度等于鸡蛋密度时,浮力等于重力,鸡蛋悬浮;继续加水,盐水密度小于鸡蛋密度,浮力小于重力,鸡蛋下沉。
2. 潜艇的浮沉:潜艇排开海水体积不变,浮力不变,因此通过改变自身重力(充水或排水),结合浮沉条件实现下潜、悬浮、上浮。
3. 生活实例:结合浮沉条件和阿基米德原理,分析轮船、密度计、热气球等实例的原理。
【解析】
一、鸡蛋在盐水中的浮沉现象解释
1. 鸡蛋漂浮在浓盐水中:
浓盐水密度$\rho_{盐水}$大于鸡蛋密度$\rho_{蛋}$,根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$(此时$V_{排}=V_{蛋}$),鸡蛋受到的浮力$F_{浮}$大于自身重力$G_{蛋}$,鸡蛋上浮最终漂浮,漂浮时$F_{浮}=G_{蛋}$。
2. 加水后鸡蛋露出水面体积变小:
向浓盐水中加水,盐水密度$\rho_{盐水}$减小,鸡蛋重力$G_{蛋}$不变,由$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$可知浮力$F_{浮}$变小。为保持漂浮状态($F_{浮}=G_{蛋}$),鸡蛋排开盐水的体积$V_{排}$增大,因此露出水面的体积变小。
3. 鸡蛋悬浮:
当盐水密度$\rho_{盐水}'$减小至等于鸡蛋密度$\rho_{蛋}$时,根据悬浮条件$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}=\rho_{蛋}gV_{蛋}=G_{蛋}$,鸡蛋可全部浸入水中并停留在水中任意深度,处于悬浮状态。
4. 鸡蛋沉入水底:
继续加水,盐水密度$\rho_{盐水}''$小于鸡蛋密度$\rho_{蛋}$,由$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$可知,此时$F_{浮}<G_{蛋}$,鸡蛋下沉至水底。
二、潜艇的浮沉原理
潜艇通过改变自身重力实现下潜、悬浮或上浮:
1. 下潜:向潜艇水舱中充水,潜艇总重力$G_{艇}$增大。潜艇排开海水的体积$V_{排}$等于潜艇体积(保持不变),根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{海水}gV_{排}$,浮力$F_{浮}$不变。当$G_{艇}>F_{浮}$时,潜艇下潜。
2. 悬浮:调整水舱内的水量,使潜艇总重力$G_{艇}=F_{浮}$,潜艇处于悬浮状态,可停留在水中任意深度。
3. 上浮:用压缩空气将水舱内的水排出,潜艇总重力$G_{艇}$减小。当$G_{艇}<F_{浮}$时,潜艇上浮。
三、浮沉条件的生活实例
1. 轮船:采用“空心”结构,增大排开水的体积$V_{排}$,根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}$,使浮力等于轮船总重力$G_{船}$,从而漂浮在水面上。
2. 密度计:密度计漂浮在液体表面,始终满足$F_{浮}=G_{密}$($G_{密}$为密度计自身重力,保持不变)。由$F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}$可得$\rho_{液}=\frac{G_{密}}{gV_{排}}$,通过测量浸入液体的体积$V_{排}$,即可计算出液体的密度。
3. 热气球:加热热气球内的空气,使球内空气密度$\rho_{内}$小于外界空气密度$\rho_{外}$。根据阿基米德原理$F_{浮}=\rho_{外}gV_{球}$,热气球受到的浮力大于自身总重力$G_{球}$,从而上升。
【答案】
1. 鸡蛋在盐水中的浮沉:浓盐水中漂浮;加水后露出水面体积减小,可实现悬浮;继续加水则沉入水底,原理见解析。
2. 潜艇通过改变自身重力实现下潜、悬浮、上浮,原理见解析。
3. 生活中应用浮沉条件的实例有轮船、密度计、热气球等,原理见解析。
【知识点】
1. 物体浮沉条件
2. 阿基米德原理
3. 浮沉条件实际应用
【点评】
本题结合实验探究、工程设备与生活实例,全面考查了物体浮沉条件与阿基米德原理的综合应用,注重理论联系实际,帮助学生理解物理知识在生活中的具体体现,培养分析和解决实际问题的能力。
【难度系数】
0.6
1. 当浸没在液体中的物体受到的浮力 $ F_{\mathrm{浮}} $ 等于物体所受的重力 $ G $ 时,物体呈
悬浮
状态。一艘轮船在河中航行,所受浮力和重力
相等
;该轮船若航行到大海中,则所受浮力和重力
相等
。
答案:悬浮
相等
相等
解析:
【分析】
首先回忆物体的浮沉条件:当浸没在液体中的物体受到的浮力等于重力时,物体处于悬浮状态;对于轮船这类漂浮在液面的物体,根据漂浮条件,漂浮时物体所受浮力始终等于自身重力。不管轮船在河中还是大海中,都处于漂浮状态,所以浮力都等于重力。解题时需要区分浸没状态下的悬浮和漂浮状态的受力特点,明确轮船的浮沉状态不变。
【解析】
1. 根据物体浮沉条件,当浸没在液体中的物体所受浮力$F_{\mathrm{浮}}$等于重力$G$时,物体呈悬浮状态;
2. 轮船在河中航行时,处于漂浮状态,根据漂浮条件,此时所受浮力和重力相等;
3. 轮船航行到大海中时,仍然处于漂浮状态,因此所受浮力和重力依然相等。
【答案】
悬浮;相等;相等
【知识点】
物体浮沉条件;漂浮条件
【点评】
本题主要考查对物体浮沉条件及漂浮条件的理解与应用,重点在于明确轮船无论在淡水还是海水中始终处于漂浮状态,浮力始终等于自身重力,避免因液体密度变化错误判断浮力大小。
【难度系数】
0.8
2. 一个重为 20 N 的物块浸没在水中时受到的浮力为 25 N,释放后它将
上浮
(选填“上浮”“下沉”或“悬浮”)。当物块刚要露出水面时,所受浮力
大于
(选填“大于”“小于”或“等于”)20 N。当物块漂浮在水面时,所受浮力为
20
N。
答案:上浮
大于
20
解析:
【分析】
要解决这道题,我们可以分三步思考:
1. 判断物块释放后的运动状态:根据物体浮沉条件,比较物块受到的重力和浮力大小。已知物块重力为20N,浸没时浮力为25N,浮力大于重力,因此物块会向上运动,即上浮。
2. 分析刚要露出水面时的浮力变化:当物块刚要露出水面时,它仍然完全浸没在水中,排开水的体积不变。根据阿基米德原理,浮力大小与排开液体的体积和液体密度有关,此时水的密度和排开水的体积都不变,所以浮力仍为25N,25N大于物块的重力20N,因此所受浮力大于20N。
3. 分析漂浮时的浮力:当物块漂浮在水面时,处于平衡状态,根据漂浮条件,此时物块受到的浮力等于自身重力,即浮力为20N。
【解析】
1. 释放后物块的运动状态判断:
已知物块重力$ G = 20\,\mathrm{N} $,浸没时受到的浮力$ F_{\mathrm{浮}} = 25\,\mathrm{N} $。
根据物体浮沉条件:当$ F_{\mathrm{浮}} > G $时,物体上浮。因为$ 25\,\mathrm{N} > 20\,\mathrm{N} $,所以释放后物块将上浮。
2. 刚要露出水面时的浮力分析:
当物块刚要露出水面时,物块仍完全浸没在水中,排开水的体积$ V_{\mathrm{排}} $不变,水的密度$ \rho_{\mathrm{水}} $不变。
由阿基米德原理$ F_{\mathrm{浮}} = \rho_{\mathrm{水}}gV_{\mathrm{排}} $可知,此时浮力大小不变,仍为25N,25N > 20N,所以所受浮力大于20N。
3. 漂浮时的浮力计算:
当物块漂浮在水面时,物块处于平衡状态,根据漂浮条件,此时浮力等于物块的重力,即$ F_{\mathrm{浮}}' = G = 20\,\mathrm{N} $。
【答案】
上浮;大于;20
【知识点】
物体浮沉条件、阿基米德原理、漂浮条件
【点评】
本题主要考查对物体浮沉条件和阿基米德原理的理解与应用,解题的关键是明确物块在不同状态下排开水的体积变化以及对应的受力平衡关系,属于基础题型,注重对核心物理规律的考查。
【难度系数】
0.8