内容正文:
第9课时 浮力的相关计算
第一部分 力 学
2025重庆物理
《学本课堂》
1
2
3
1
2
回归教材·知识梳理
重点难点·聚焦突破
3
3
真题自测·体验中考
目
录
2
回归教材·知识梳理
考点综述
01
3
1
知识点
浮力的基本计算方法
压力差法 F浮=F向上-F向下(一般应用于计算形状规则的物体受到的浮力)
称重法 F浮=G物-F拉(F拉为物体浸在液体中时弹簧测力计的示数)
阿基米德
原理法 F浮=G排=ρ液g V排(注意ρ液为液体的密度;只有当物体浸没在液体中时,才有 V排=V物)
二力平衡法 F浮=G物(适用于物体漂浮于液体表面或悬浮于液体中)
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知识点2
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重点难点·聚焦突破
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4
1.物体浸入液体中,液体对柱形容器底的压力:F液=G液+F浮。
2.物体浸入液体中,柱形容器对桌面的压力(将物体、液体、容器作为一个整体):
2
知识点
浮力、压强的综合计算
(1)整体不受其他外力,如图甲所示,二力平衡:
___________________________。
甲
F容=G总=G容+G液+G物
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5
(2)整体受到其他外力,三力平衡:
如图乙所示,受竖直向上的拉力:
____________________________________。
如图丙所示,受竖直向下的压力:
____________________________________。
3.液体对柱形容器底的压强:p=ρgh,p=。
4.柱形容器对桌面的压强:p=。
乙
丙
F容=G总-F拉=G容+G液+G物-F拉
F容=G总+F压=G容+G液+G物+F压
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6
重点难点·聚焦突破
考点综述
02
7
如图所示是我国自主建造的极地科学考察破冰船——“雪龙2号”,排水量为14 000 t,其满载时排开海水的体积为________m3,所
受浮力为_________N。其海面下5 m处受到海水的压强为_________Pa。(取g=10 N/kg,ρ海水=1.0×103 kg/m3)
1
焦点
浮力的基本计算
例题 1
1.4×104
1.4×108
5×104
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8
1.某同学用石块、细线、弹簧测力计、烧杯、水和食盐等器材,进行了如图所示的实验探究。(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)下列探究结论正确的是( )
变式训练
甲 乙 丙
A.石块在水中受到的浮力方向竖直向下
B.石块在水中受到的浮力大小为3 N
C.石块的体积为1.0×10-3 m3
D.盐水的密度为1.2×103 kg/m3
D
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9
2.如图所示,现有一质量为1.5 kg、体积为8×10-3 m3质地均匀的浮标,用细绳的一端系住浮标,另一端固定在池底。随着水池内水位的上升,细绳逐渐被拉直,当水位达到70 cm时,浮标恰好完全浸没且细绳未被拉断(取
g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)。下列相关分析中正确的是( )
A.浮标的密度为1.875×103 kg/m3
B.水对池底的压强为7×105 Pa
C.浮标所受的浮力为15 N
D.细绳对浮标的拉力为65 N
D
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10
2
焦点
浮力、压强的综合计算
解决浮力、压强的综合题必备技巧
(1)分析物体所处的平衡状态,分析受力情况,再选择二力平衡或者三力平衡的方法;
(2)分清楚是容器底受到的液体压强还是桌面受到的固体压强;
(3)压强的改变量:液体对容器底,可以分析液面高度的变化量Δh,用公式Δp=ρgΔh,也可以分析压力的改变量ΔF,用公式Δp=;容器对水平面,可以分析压力的改变量ΔF,用公式Δp=。
指点迷津
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如图所示,水平地面上有底面积为300 cm2、不计质量的薄壁盛水柱形容器A,内有质量为400 g、棱长为10 cm、质量分布均匀的正方体物块B,通过一根长10 cm的细绳与容器底部相连,此时水面距容器
底30 cm,(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)计算可得出( )
A.绳子受到的拉力为14 N
B.容器对水平地面的压力是90 N
C.剪断绳子,待物块静止后水对容器底的压强变化
了200 Pa
D.剪断绳子,待物块静止后水平地面受到的压强变化了200 Pa
例题 2
C
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将实心的合金球和木球用细绳相连放入水中时,木球露出水面的体积为它自身体积的,如图所示。当把细绳剪断后,合金球沉底,木球露出水面的体积是它自身体积的,这时合金球受到池底对它的支持力为2 N。若已知合金球和木球体积之比为1∶8,(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)则
( )
例题 3
A.合金球的重力为3 N
B.合金球所受浮力为2 N
C.合金球的密度为3×103 kg/m3
D.绳子剪断前后,两物体所受总浮力相差4 N
B
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【解析】细绳剪断前,木球和合金球漂浮,总浮力等于
总重力,G木+G合金=F合金浮+F木浮=ρ水g[V合金+(1)
V木]=6ρ水gV合金①;细线剪断后,木球漂浮,G木=ρ水gV木=4ρ水gV合金②;合金球沉入容器底,G合金=F支+F合金浮=2 N+ρ水gV合金③;联立①②③解得:V合金=2×10-4 m3,G木=8 N,G合金=4 N,F合金浮=2 N。
ρ合金==2×103 kg/m3。绳子剪断前后,两物体所受总浮力相差:ΔF浮=F支=2 N。
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3.物体M、N是棱长不等的实心立方体(均不吸水),质量之比为1∶4,将它们放入两个盛水的杯子中,静止时的位置如图甲、乙所示;若将物体M叠放在N的上表面,再放入水中,静止时,N的上表面刚好与水面相平,如图丙所示。
水的密度为1.0×103 kg/m3,则下列说法正确的是( )
变式训练
甲 乙 丙
A.物体N的密度为0.75×103 kg/m3
B.物体M、N的体积之比为1∶5
C.在图乙中,物体N有的体积露出水面
D.在图乙和图丙中,物体N的下表面受到的压强之比为3∶5
B
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15
4.如图甲所示,圆柱形薄壁容器放置在电子秤上,高为10 cm的圆柱体A放置在容器底部,现在向容器内缓慢加水,电子秤的示数随水的深度h变化的图像如图乙所示,A对容器底部的压强随水的深度h变化的图像如图丙所示,在整个过程中无水溢出,圆柱体A始终保持直立且不吸水。(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)求:
甲
乙
丙
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16
(1)没有加水时容器对电子秤的压力;
解:由图甲可知,没有加水时电子秤的示数:m0=1 000 g=1 kg,因此没有加水时容器对电子秤的压力等于总重力,即F=G=m0g=1 kg× 10 N/kg=10 N;
甲
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17
(2)圆柱体A的密度;
解:由图丙可知,未加水时,高为10 cm的圆柱体A对容器底部的压强为800 Pa,根据p=ρgh可知,圆柱体A的密度:ρA==0.8×103 kg/m3;
丙
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18
(3)停止加水后,在外力的作用下,将圆柱体A上提4 cm,待水面稳定后,容器对电子秤的压强。
解:因为圆柱体A的密度小于水的密度,加水后圆柱体A最终会漂浮,因此当电子秤的示数为m1=4 200 g,即水深h1=8 cm时,圆柱体A所受浮力等于重力;再加水圆柱体A将离开容器底。由此可得出圆柱体A开始离开容器底到电子秤的示数为m2=5 200 g的过程中共加水:m加水=m2-m1=5 200 g-4 200 g=1 000 g,加水的体积:V加水==1 000 cm3,水上
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19
升的高度:Δh=10 cm-8 cm=2 cm,容器的底面积:S容==500 cm2=0.05 m2,当电子秤的示数:m1=4 200 g,即水深为8 cm时,加入水的质量:m加水1=m1-m0=4 200 g-1 000 g=3 200 g,加水的体积:V加水1==3 200 cm3,圆柱体A的底面积:S柱=S容-=500 cm2-=100 cm2,停止加水后容器对电子秤的压力等于此时的总重力:F1=G总1=m总1g=5 200×10-3 kg×10 N/kg=52 N,圆柱体A上提4 cm,则液面
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20
下降高度:Δh'==1 cm,则圆柱体离开水面的增大高度: h=4 cm+1 cm=5 cm,则物体排开水的体积减小值:ΔV'=5 cm×100 cm2=
500 cm3=5×10-4 m3,减小的浮力:ΔF浮=ρ水ΔV'g=1.0×103 kg/m3×5×10-4 m3×10 N/kg=5 N,则圆柱体A上提4 cm,容器对电子秤的压力:F压=F1-ΔF浮=52 N-5 N=47 N,容器对电子秤的压强:p==940 Pa。
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21
5.(2024·九龙坡一模) 小李同学受“怀丙打捞铁牛”故事启发,利用如图所示装置来模拟“打捞”过程。图甲中金属块A部分陷入淤泥内,质量为200 g的小船装有18 N的沙石,细绳将金属块A和小船紧连,此时细绳的拉力为2 N,水面恰好与船的上沿相平(水未进入船内),金属块A上表面距离水面40 cm。将小船内所有沙石清除后,金属块A被拉出淤泥静止在水中,如图乙所示,此时小船有五分之二体积露出水面。已知金属块A的密度为6×103 kg/m3,细绳的质量和体积忽略不计,(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)求:
甲
乙
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22
(1)图甲中,金属块A上表面受到的水的压强;
解:金属块A上表面受到的水的压强:p=ρ水gh=1.0×103 kg/m3×
10 N/kg×0.4 m=4 000 Pa;
甲
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23
(2)图甲中,小船浸在水中的体积;
解:小船的重力:G船=m船g=0.2 kg×10 N/kg=2 N,
小船和沙石的总重力:G=G船+G沙=2 N+18 N=20 N,
小船所受的浮力:F浮=G+F拉=20 N+2 N=22 N,
由阿基米德原理可得,图甲中小船浸在水中的体积:
V排==2.2×10-3 m3;
甲
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24
(3)图乙中,金属块A受到的浮力。
解:图乙中小船排开水的体积:V'排=(1-)V排=(1-)×
2.2×10-3 m3=1.32×10-3 m3,
小船所受的浮力:F'浮=ρ水gV'排=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×1.32×10-3 m3=13.2 N,绳子的拉力:F'拉=F'浮-G船=13.2 N-2 N=11.2 N,金属块A受到竖直向下的重力、竖直向上的拉力和浮力的作用,且处于平衡状态,故GA= F浮A+F'拉,即ρAgVA=ρ水gVA+F'拉,则VA==2.24×10-4 m3,F浮A=ρ水gVA=1.0×103 kg/m3 ×10 N/kg×2.24×10-4 m3=2.24 N。
乙
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25
弹簧测力计下挂一长方体物体,将物体从盛有适量水的容器上方离水面某一高度处缓缓下降,然后将其逐渐浸入水中,如图甲所示;图乙是弹
簧测力计示数F与物体下降高度h变化关系的图像,(取g=10 N/kg,ρ水=
1.0×103 kg/m3)则下列说法中正确的是( )
A.物体的体积是500 cm3
B.物体受到的最大浮力是5 N
C.物体的密度是2.25×103 kg/m3
D.刚浸没时下表面受到水的压力是9 N
3
焦点
F-h、p-h图像的分析与计算
例题 4
甲 乙
C
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26
将一底面积为0.02 m2的长方体物体用细线拴在一个空容器的底部,然后向容器中缓慢加水,直到物体上表面与液面相平时停止加
水,如图甲所示,在此整个过程中,物体底部受到水的压强随容器中水
的深度的变化如图乙所示,物体浸没时受到的浮力是__________N,物体的密度是__________kg/m3。(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)
例题 5
甲 乙
30
0.6×103
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真题自测·体验中考
6.如图甲所示,小聪同学用弹簧测力计
挂着实心圆柱体,圆柱体浸没在水中且
不与容器壁接触,然后将其缓慢拉出水
面,弹簧测力计示数随圆柱体上升距离
的变化情况如图乙所示,则圆柱体的重
力为__________N,圆柱体受到的最大浮力为__________N。
变式训练
甲 乙
2
0.4
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28
7.某兴趣小组在做浮力相关实验
时,将力传感器固定在铁架台上,
底面积为40 cm2的实心均匀圆柱体
A通过轻质细线与力传感器相连,
力传感器的示数等于细线拉力的
大小。底面积为100 cm2的柱形容器B放在水平升降台上,装有20 cm深的水,如图甲所示。从某时刻开始让升降台上升,使A逐渐浸入水中,力传感器的示数F与升降台上升高度h的关系如图乙所示。不计细线的伸缩,A始终保持竖直,且不吸水,整个过程无水溢出。(取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)
甲
乙
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29
(1)求圆柱体A的质量;
解:当圆柱体A未浸入水中时传感器的示数即为A的重力,则A的质量:mA==1.2 kg;
甲
乙
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30
(2)当升降台上升高度为8 cm时,A浸入水中深度为5 cm,求此时A受到的浮力;
解:当h浸=5 cm时,物体排开水的体积:V排=
SAh浸=40 cm2×5 cm=200 cm3=2×10-4 m3,
此时A受到的浮力:F浮=ρ水gV排=1.0×103 kg/m3
×10 N/kg×2×10-4 m3=2 N;
乙
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31
(3)求A的密度。
解:当升降台上升高度h0=5 cm时,A下表面接触
水面;当升降台上升高度h=17 cm时,A浸没,此
时水面相对于容器底上升的高度:Δh=
=8 cm,
物体的高度:hA=12 cm+8 cm=20 cm,
物体的体积:VA=SAhA=40 cm2×20 cm=800 cm3=8×10-4 m3,
A的密度:ρA==1.5×103 kg/m3。
乙
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32
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考点综述
03
33
1.(2023·重庆B卷T13) 小天做物理小实验,先
向质量为300 g的薄壁柱形容器中倒入深度为
1 cm的水,放在水平放置的电子秤上,稳定后
示数如图甲所示;然后用细线吊着密度为
0.6 g/cm3、不吸水的立方体木块,竖直向下缓
慢浸入容器水中,松开手待木块静止后,电子
秤示数稳定后如图乙所示,此时木块对容器底部压强为__________Pa;接着
小天拉着细线,将木块竖直向上提升__________cm,容器对电子秤的压强变化量与木块底部所受水的压强变化量之差为120 Pa。(不计细线质量和体积,忽略附在木块表面水的影响,取g=10 N/kg,ρ水=1.0×103 kg/m3)
考向 浮力的相关计算
甲 乙
300
0.8
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34
2.(2024·重庆A卷T20) 如图甲所示,我国自主建造重为3.7×108 N的导管架“海基二号”需要用驳船运输到指定位置,安装在超过300 m深的海域搭建石油开采平台。而亚洲最大驳船的最大载重只有3×108 N,该驳船可看作长200 m、宽50 m、高14 m的规则长方体,其最大吃水深度为7 m。“文冲修造厂”通过加宽驳船解决了超重难题,如图乙所示是驳船加宽后的示意图,加宽后驳船的最大吃水深度不变。(取g=10 N/kg,ρ海水=1.0×103 kg/m3)求:
甲
乙
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35
(1)水深300 m处的压强;
甲
乙
解:水深300 m处的压强:p=ρ海水gh=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×300 m=3×106 Pa;
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36
(2)加宽前,驳船空载时排开水的体积;
乙
解:载重最大时,吃水深度最大时,排开水的体积:
V排=200 m×50 m×7 m=7×104 m3,
受到的浮力:F浮=ρ海水gV排=1.0×103 kg/m3×
10 N/kg×7×104 m3=7×108 N,
最大载重G货=3×108 N,则船体自重:G船=F浮-G货=7×108 N-3×108 N=4×108 N,
空载时F空浮=G船=4×108 N,加宽前,驳船空载时排开水的体积:V空排==4×104 m3;
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37
(3)若驳船体积每增加1 m3,自重增加2.5×103 N,为了安全装载“海基二号”,驳船总宽度至少应增加多少;请你另外设计一种改装驳船的方法(只说方法,不计算)。
甲
乙
解:为了安全装载“海基二号”,船体所受的浮力与重力之差必须增大量:ΔF=3.7×108 N-3×108 N=7×107 N,加宽后驳船的最大吃水深
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38
度不变,设增加的体积为V,则增加的浮力与增加的重力之差等于ΔF=7×107 N,故有:ΔF浮-ΔG=ΔF,即1.0×103 kg/m3×10 N/kg× V-2.5×103 N/m3·V=7×107 N,解得:V=2.8×104 m3,则增加的宽度至少为:L==10 m。
改装驳船方法:①增加驳船长度;②增加驳船高度;③在驳船周围增加浮筒(言之有理即可)。
乙
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39
3.(2024·重庆B卷T20) 如图所示是某型号水下机器
人。该机器人可以通过三种方式控制浮沉,第一种
是机器人内部水舱充放水,水舱的容积为4×10-3 m3;
第二种是利用推进器提供竖直向上的推力F推,F推可以在0~30 N之间调节;第三种是在机器人外部加装不同数量的浮块,每个浮块质量均为0.4 kg,体积均为1×10-3 m3。已知该机器人水舱未充水时的质量为
9.5 kg,未装浮块时,机器人的总体积为1.2×10-2 m3(体积不变,含机械臂,取g=10 N/kg,ρ海水=1.0×103 kg/m3)。
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40
(1)求150 m深处水的压强;
解:150 m深处水的压强:p=ρ海水gh=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×150 m=1.5×106 Pa;
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41
(2)求当机器人未加浮块、水舱充满水浸没在水中悬停时,F推的大小;
解:机器人未充水时重力:G机=m机g=9.5 kg×10 N/kg=95 N,
水仓充满水时,海水的重力:
G海水=ρ海水gV容=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×4×10-3 m3=40 N,
机器人浸没水中所受浮力:F浮机=ρ海水gV排机=ρ海水gV=1.0×103 kg/m3×
10 N/kg×1.2×10-2 m3=120 N,
机器人悬停时,F推+F浮=G海水+G机,
推力大小:F推=G机+G海水-F浮=95 N+40 N-120 N=15 N;
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(3)深处水底有一物体(未与水底紧密接触),其密度均匀且为2.5×103 kg/m3,体积为4×10-3 m3,需机器人潜入水中用机械臂抓住物体打捞上来,为确保打捞顺利进行,机器人下水前需制定好能让机器人抓住物体上浮的方案,在F推调到30 N的情况下,还需如何利用另外两种方式实现上浮,请通过计算给出一种合理方案。
解:物体重力:
G海物=m物g=ρ物V物g=2.5×103 kg/m3×4×10-3 m3×10 N/kg=100 N,
物体受到的浮力:
F浮物=ρ海水gV排物=ρ海水gV物=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×4×10-3 m3=40 N,
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能把物体打捞上来,机器人的最小拉力:
F最小=G物-F浮物=100 N-40 N=60 N,
为确保打捞顺利进行,机器人下水前水舱内先充满水,打捞时放干净水,F推最大=30 N,另外安装n个浮块,
一个浮块的重力:G浮块=m浮块g=0.4 kg×10 N/kg=4 N,
一个浮块受到的浮力:F浮浮块=ρ海水gV排浮块=ρ海水gV浮块=1.0×103 kg/m3×
10 N/kg×1×10-3 m3=10 N,给物体提供的拉力:F浮机+F推最大+nF浮浮块-G机-nG浮块=60 N,120 N+30 N+n×10 N-95 N-n×4 N=60 N,解得:n≈0.83,取1,即将水舱里水全部排出再至少安装1个浮块。
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