内容正文:
10.2 阿基米德原理
1
知识点1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
实验器材 弹簧测力计、 金属块、 细线、 溢水杯、 小桶和适量的水
实验操作 (1) 测 F浮: ①用弹簧测力计测出金属块所受的重力 G(图甲);
②将金属块浸没在盛满水的溢水杯中, 测出力的大小 F (图乙);
③F浮=G-F。
(2) 测 G排: ①测出空桶的重力 G1 (图丙); ②用弹簧测力
计测出小桶和排开水的总重力 G2 (图丁); ③G排=G2-G1
实验现象 F浮=G排
实验结论 浸在液体中的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于它排开液体所受的重力
甲 乙 丙 丁
知识点1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
1. 先测桶和排开液体的总重力, 再测桶的重力 (桶沾水所测重力偏大, 所测排开液体的重力偏小);
2. 先将金属块放入水中测拉力, 再测金属块的重力 (金属块沾水所测重力偏大, 所测浮力偏大);
3. 实验中若金属块没有全部浸入, 也可以得出正确结论。
预习检测
已知铁的密度小于铜的密度, 若把质量相同的铜块和铁块浸没水中,则它们所受的浮力 ( )
A. 铜块的大
B. 铁块的大
C. 一样大
D. 条件不足无法判断
B
V铁>V铜
F浮=ρ液gV排 V排 =V物
F浮铁>F浮铜
例1 为了探究 “浮力的大小跟排开液体所受重力的关系”, 某同学进行了如图所示的实验。 由图可知, 物块受到的浮力为 N; 若小桶的重力为 0. 5 N, 则图丙中弹簧测力计的示数应为 N。
知识点1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
甲 乙 丙 丁
1.2
1.7
由图甲可知, 弹簧测力计的分度值为 0. 2 N, 其示数为 4. 2 N, 则 G= 4. 2 N
由图乙可知,弹簧测力计的示数为 3 N,
根据称重法得物体浸没在水中受到的浮力
由题知, G桶 = 0. 5 N,
根据阿基米德原理
则图丙中弹簧测力计的示数应为 1. 7 N。
举一反三
1-1 某小组的同学用溢水杯、弹簧 测 力 计、 小 烧 杯、 水、石块、 铁架台及细线等设计了如图所示的实验装置验证阿基米德原理。
(1) 如图甲所示, 石块从接触水面到刚好浸没水中的过程中, 左边弹簧测力计的示数 (选填“变大”“变小”或“不变”)。
变小
甲 乙
石块从接触水面到刚好浸没水中的过程中,V排变大,浮力变大,所以拉力变小,弹簧测力计示数变小。F浮=G-F拉。
举一反三
(2) 根据实验中所测的物理量可列等式 (用图中字母表示), 从而验证了阿基米德原理。
F1 -F3 = F4 -F2
F浮=G排
F浮=F1-F3
G排=F4-F2
1-1 某小组的同学用溢水杯、弹簧 测 力 计、 小 烧 杯、 水、石块、 铁架台及细线等设计了如图所示的实验装置验证阿基米德原理。
甲 乙
举一反三
(3) 以下情况会影响实验结论成立的是 。
A. 图甲中水面未到达溢水杯的溢水口
B. 图乙中石块未全部浸没在水中
C. 溢水杯装满的是盐水
A
1-1 某小组的同学用溢水杯、弹簧 测 力 计、 小 烧 杯、 水、石块、 铁架台及细线等设计了如图所示的实验装置验证阿基米德原理。
甲 乙
举一反三
(4) 同学们用酒精代替水,将石块完全浸没,发现此时的 F3 变大, 说明浮力的大小与 有关。
液体密度
1-1 某小组的同学用溢水杯、弹簧 测 力 计、 小 烧 杯、 水、石块、 铁架台及细线等设计了如图所示的实验装置验证阿基米德原理。
甲 乙
知识点2 阿基米德原理
1. 内容: 浸在液体中的物体受到向上的浮力, 浮力的大小等于
它排开的液体所受的重力。
2. 公式: F浮 =G排 = m排 g = ρ液 gV排。 式中 ρ液 表示液体的密度, 单 位是 kg / m3 , V排是被物体排开的液体的体积, g 取 9. 8 N/ kg。
3. 理解: (1) V排 是物体排开液体的体积, 不一定等于物体的体积;
(2) 浮力的大小只与液体的密度和物体排开液体的体积有关;
(3) 阿基米德原理也适用于气体。
气体密度较小,产生的浮力比液体小得多
预习检测
2 金鱼吐出的某个气泡在温度恒定的水中上升的过程中,受到的水的压强、 浮力不断发生变化,下列关于变化情况的说法正确的是 ( )
A. 压强变大, 浮力变小
B. 压强变小, 浮力变小
C. 压强变大, 浮力不变
D. 压强变小, 浮力变大
D
p = ρgh
h变小,所以P变小
F浮= ρ液 gV排
V排变大,所以浮力变大
预习检测
3 如图,A 为木块, B 为铝片, C 为铁球, 而且 VA=VB=VC , 把它们都浸没在水中, 则它们受到的浮力 FA 、 FB 、 FC 之间的关系为 ( )
A. FA >FB >FC B. FA <FB <FC C. FA=FB=FC D. FA >FB=FC
C
F浮= ρ液 gV排 VA=VB=VC
FA=FB=FC
例2 四月春暖花开,正是踏青露营的好时候。在公园里随风飘扬的气球成了大家营造氛围的“新宠”。如图所示,上浮的氦气气球和下沉的空气气球的体积相同,若氦气气球受到的浮力为 F1 、 空气气球受到的浮力为 F2 ,则两者所受浮力的大小关系是( )
知识点2 阿基米德原理
A. F1>F2
B. F1 =F2
C. F1<F2
D. 无法判断
B
F浮= ρ液 gV排
V氦气=V空气
例3 小李同学想估算空气对自己的浮力大小,采集的数据有:自己的体重、自己的密度(与水接近,约为 1. 0×103kg/m3)、空气的密度(约为 1. 3 kg / m3)。 g 取 10 N/ kg, 则空气对小李同学的浮力大小约为( )
A. 0. 006 N B. 0. 6 N C. 60 N D. 600 N
知识点2 阿基米德原理
B
小李的密度与水接近, 约为 1. 0×103 kg/m3 , 其质量约为 50 千克,则其体积约为
F浮= ρ液 gV排
小李的体积即排开空气的体积, 空气对小李的浮力大小约为
举一反三
2-1 一根轻质且不可拉伸的细线将一边长为 10 cm 的正方体物块拴接在容器底部,如图甲所示,当水深为 30 cm时,细线刚好伸直;如图乙所示,当 水 深 为 36 cm 时,物体上表面恰好与水面相平,已知 ρ水 = 1. 0×103 kg / m3 ,则 此正方体物块的密度为 kg / m3 ,乙图中细线的拉力为 N。 ( g 取 10 N/ kg)
甲 乙
0. 4×103
6
细线 刚好伸直时物块浸在水中的深度为
则浸在水中的体积
此时所受浮力
此时物块漂浮
则物块质量
图乙
举一反三
2-2 如图所示,水平桌面上有一个装有水的圆柱形容器,水面漂浮着一个放有铁球的烧杯(ρ铁 >ρ水 );若将铁球从烧杯中取出缓缓放入水中,烧杯仍竖直浮在水面上,下列说法正确的是 ( )
A. 容器底受到水的压强不变
B. 容器对桌面的压强会变小
C. 容器中的水面会下降一些
D. 烧杯下表面受到水的压强不变
C
初始:烧杯漂浮 G烧杯+G铁球=F浮总
改变后:烧杯仍漂浮,此时铁球沉底
F浮总’=G烧杯+F浮铁球’<F浮总
F浮铁球’<G铁球
改变后,浮力减小,V排减小,水面下降
A p = ρgh,h减小,P减小
B p =
D 改变后:烧杯仍漂浮,F浮=G烧杯=F向上-F向下=F向上=pS(此时F向下=0),所以烧杯下表面受到水的压强不变,但由于铁球取出后,烧杯会上浮一些,浸入水中深度变小,根据p = ρgh,所以烧杯下表面受到水的压强变小。
课本练习
1.北京“水立方”中游泳池的水深设计比一般标准游泳池深了0.5 m。有
人说,水的深度越深,其产生的浮力就越大,因此,各国运动员在
“水立方”的比赛成绩普遍提高就不足为奇了。你认为他的说法正确
吗?为什么?
答:不正确, 浮力的大小只与液体的密度和排开液体的体积有关,在游泳池足够深的情况下,与池内水的深度无关。
课本练习
2.请比较以下浮力的大小。
(1)同样重的两个铜块甲和乙,甲浸没在水中,乙浸没在煤油中,哪个
受到的浮力大?
答:两铜块质量相等即体积相等,浸没在不同液体中,甲排开液体的密度大,因此甲受到的浮力大。
课本练习
答:铝块和铜块同样重时铝块的体积大,都浸没在煤油中,铝块排开液体的体积大,所以铝块受到的浮力大。
2.请比较以下浮力的大小。
(2)同样重的铝块和铜块,都浸没在煤油中,哪个受到的浮力大?
课本练习
答:因 ρ铝 <ρ铜, 铝块和铜块同样重时铝块的体积大,铜块浸没在煤油中,铝块浸没在水中,铝块排开液体的体积大,且 ρ水 >ρ煤油,故铝块受到的浮力大。
2.请比较以下浮力的大小。
(3)同样重的铝块和铜块,铜块浸没在煤油中,铝块浸没在水中,哪个
受到的浮力大?
课本练习
3.在弹簧测力计下悬挂一个金属零件,示数是 7. 5 N。当把零件浸没在
密度为 0. 8×103kg/m3 的油中时,弹簧测力计的示数是 6. 6 N,金属
零件的体积是多少?
当金属零件悬挂于弹簧测力计下面时,由于金属零件处于静止,
所以有G=F1=7.5N
金属零件浸没在油中时,金属零件受到三个力的作用:一个是竖直向下的重力G,一个竖直向上的弹簧测力计的拉力F2,一个竖直向上的油的浮力F浮
由于金属零件处于静止所以有G=F2+F浮
浮力 F浮=G-F2=7.5N-6.6N=0.9 N,
由F浮=ρ液gV排得
V排=m3
因为V排=V金属零件,所以金属零件体积为1.125×10−4m3
答:金属零件体积为1.125×10−4m3。
课本练习
4.某同学用阿基米德原理测量一种未知液体的密度:他把一个铁块用细绳悬挂
在弹簧测力计的挂钩上,铁块在空气中时弹簧测力计的示数是 7. 9 N,把铁
块浸没在该液体中时弹簧测力计的示数是 7. 1 N,该液体的密度是多少?铁
的密度为7. 9 ×103kg/m3。
铁块用细绳悬挂于弹簧测力计下面时,由于金属零件处于静止,所以有G=F1=7.9N
铁块浸没在该液体中,铁块受到三个力的作用:一个是竖直向下的重力G,一个竖直向上的弹簧测力计的拉力F2,一个竖直向上的油的浮力F浮
由于铁块处于静止所以有G=F2+F浮
浮力 F浮=G-F2=7.9N-7.1N=0.8 N,
铁块浸没在液体中时,V排=V铁=
由F浮=ρ液gV排得液体的密度
=
答:该液体的密度是
题型1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
例1 小明利用铜柱、水、溢水杯、小烧杯、弹簧测力计等器材,按照题图所示的步骤,来验证阿基米德原理。( ρ铜 = 8. 9× 103 kg/m3 , g 取 10 N/ kg)
(1) 由乙、丙两图可测出铜柱受到的浮力是 N;
1
由图乙可知, 铜柱的重力为 4. 6 N, 由图丙可知, 铜柱受到的拉力为 3. 6 N, 根据称重法测量浮力知,
熟记原理,合理应用
题型1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
(2)由以上步骤可初步得出结论:浸在液体中的物体所受浮力的大小等于它 ;
排开液体所受的重力大小
由图甲、 丁可知, 排开液体受到的重力
例1 小明利用铜柱、水、溢水杯、小烧杯、弹簧测力计等器材,按照题图所示的步骤,来验证阿基米德原理。( ρ铜 = 8. 9× 103 kg/m3 , g 取 10 N/ kg)
熟记原理,合理应用
题型1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
(3)以下情况不会影响实验结论的是 ;
A. 图甲步骤移到图丁步骤后面操作 B. 图乙步骤中水面未到达溢水杯的溢水口
C. 图丙步骤中铜柱未浸没在水中 D. 图丙步骤中铜柱碰到溢水杯底部
C
例1 小明利用铜柱、水、溢水杯、小烧杯、弹簧测力计等器材,按照题图所示的步骤,来验证阿基米德原理。( ρ铜 = 8. 9× 103 kg/m3 , g 取 10 N/ kg)
熟记原理,合理应用
题型1 探究浮力大小与排开液体所受重力的关系
(4)小明在实验过程中拿起铜柱时,怀疑铜柱可能是空心的。于是他利用本次实验数据计算出该铜柱的平均密度为 kg/m3,据此密度数据可判断该铜柱是空心的。
4.6×103
铜柱浸没,排开液体的体积等于铜柱的体积,
例1 小明利用铜柱、水、溢水杯、小烧杯、弹簧测力计等器材,按照题图所示的步骤,来验证阿基米德原理。( ρ铜 = 8. 9× 103 kg/m3 , g 取 10 N/ kg)
熟记原理,合理应用
变式训练
1-1 为了探究浮力的相关规律,小明进行了如下探究:
(1) 通过比较 四幅图的数据,可知浮力大小等于物体排开液体所受的重力;
A、B、C、D
由图B、C可测出物体受到的浮力为
由图A、D可测出物体排开液体所受的重力为
变式训练
(2)在步骤 C 的操作中,如果将石块的位置缓慢下降一些,使其浸没水中的深度增加且不碰底,物体静止时,弹簧测力计的示数将_____(选填“变大”“变小”或“不变”);
不变
1-1 为了探究浮力的相关规律,小明进行了如下探究:
变式训练
(3)另一小组在步骤 C 的操作中,将石块的一部分浸在水中,其他步骤操作正 确,则 (选填“能”或“不能”)得到与(1)相同的结论;
能
1-1 为了探究浮力的相关规律,小明进行了如下探究:
变式训练
(4) 结合图中信息可知,图 F 中弹簧测力计的示数为 N,图 E 中盐水的密度为 kg/m3。
1. 2×103
2. 2
由B和E可知,物体浸没在盐水中的浮力为
由A图可知空小桶的重力为1N,则图F中弹簧测力计的示数为
物体浸没在水中和盐水中时排开液体的体积相等,所以有
1-1 为了探究浮力的相关规律,小明进行了如下探究:
题型2 阿基米德原理的应用
例2 两个容器中分别盛有甲、乙两种不同的液体,把体积相同的 A、 B 两个实心小球放入甲液体中,两球沉底,如图甲;放入乙液体中,两球静止时的情况如图乙所示。甲、乙中小球静止时液面深度相同。则 ( )
A. 小球 A 的质量等于小球 B 的质量
B. 甲液体的密度大于乙液体的密度
C. 甲液体对容器底部的压力大于乙液体对容器底部的压力
D. 在甲液体中小球 A 对容器底的压力小于小球 B 对容器底的压力
D
乙液体中,A漂浮,ρA<ρ乙
ρA<ρB
B下沉 ρB>ρ乙
VA=VA mA<mB
甲液体中,A沉底,ρA>ρ甲
ρA<ρ乙
ρ甲<ρ乙
ρ甲<ρ乙
h甲=h乙
P=ρgh
P甲<P乙
S甲=S乙
F=PS
F甲<F乙
F浮=ρ液gV排
mA<mB
GA<GB
A、B在甲液体中都沉底
F浮A=F浮B
题型2 阿基米德原理的应用
例3 如图所示,有一个内外壁皆为圆柱形的平底容器,内足够深的水。将一个质地均匀的正方体物体悬挂在竖直放置的弹簧测力计下 (图中未画出弹簧测力计)。当物体的体积浸入水中时,弹簧测力计示数为 7 N;当物体的体积浸入水中时,弹簧测力计示数为 4 N。 现将物体从弹簧测力计上取下放入水中,则该物体静止时,所受到的浮力是 N,该物体的密度为 kg/m3。 (g 取 10 N/ kg)
当物体的体积浸入水中时, 则排开水的体积
弹簧测力计示数为 7 N, 根据称重法可知
由②-①得
物体所受浮力
当物体 的体积浸入水中时, 弹簧测力计示数为 4 N, 同理有
将③代入①得 G = 9 N
由③知, 物体浸没受到的浮力为 10 N>9 N
将物体从 弹簧测力计上取下放入水中, 则该物体静止时处于漂浮状态
由③得物体的体积
0. 9×103
9
变式训练
2-1 如图,一长方体物块漂浮在水面上时,物块露出水面的体积是总体积的 ;当它漂浮在另一液面上时,浸入液体的体积是总体积的 。物块在水和液体中受到的浮力分别为 F1 和 F2 ,水和液体对物块下表面的压强分别为 p1 和 p2 , 则 F1 F2 、 p1 p2 (选填“>”“=”或“<”),杯中液体的密度是 kg/m3 。
1. 5×103
=
=
同一物体在两 种液体中的状态都是漂浮,根据 F浮 =G物可知所受浮力相等,则 F1 = F2 ;
根据
所以 p1 = p2 ;
同一物体在两种液体中 的 状 态 都 是 漂 浮,
代入数据,1.0×103kg/m3×g× 解得
变式训练
2-2 小强用如图所示的实验装置验证阿基米德原理,通过调节升降台让金属块浸入盛满水的溢水杯中(金属块始终未与容器底接触),溢出的水会流入右侧空桶中,下列说法正确的是( )
A. 金属块浸入水中越深,水对溢水杯底部的压力越大
B. 金属块浸没在水中的深度越深,弹簧测力计 A 的示数越小
C. 金属块从接触水面至浸入水中某一位置,弹簧测力计A和
B的变化量∆FA=∆FB
D. 若实验前溢水杯中未装满水,对实验结果没有影响
C
考点 阿基米德原理的应用
典例1 如图甲所示,悬挂在弹簧测力计下的实心圆柱体 A 浸没在水中,将其缓慢拉出水面(忽略物体带出的水),弹簧测力计的示数 F 与物体上升的高度 h 之间的变化图象如图乙所示。然后将体积为 2000 cm3 的实心物体 B 用细线和 A 连接在一起,如图丙所示放入水中,A、 B 刚好悬浮。细线的重力和体积忽略不计,ρ水 = 1. 0×103 kg/m3 , g 取 10 N/ kg, 下列说法正确的是 ( )
A. A 浸没在水中所受浮力为 10 N
B. A 的底面积为 50 cm2
C. B 的重力为 20 N
D. B 的密度为 0. 75×103 kg/m3
根据图象知, 拉出水面后, 不受浮力 时, F=G= 10 N, 浸没时, F = 5 N, 根据称重法知
浸没时
A 从开始露出水面到全部 离开, 上升的高度 h = 20 cm-10 cm= 10 cm; 由于液面下降, 物体的高度大于 10 cm, 故 A 的底面积
考点 阿基米德原理的应用
典例1 如图甲所示,悬挂在弹簧测力计下的实心圆柱体 A 浸没在水中,将其缓慢拉出水面(忽略物体带出的水),弹簧测力计的示数 F 与物体上升的高度 h 之间的变化图象如图乙所示。然后将体积为 2000 cm3 的实心物体 B 用细线和 A 连接在一起,如图丙所示放入水中,A、 B 刚好悬浮。细线的重力和体积忽略不计,ρ水 = 1. 0×103 kg/m3 , g 取 10 N/ kg, 下列说法正确的是 ( )
A. A 浸没在水中所受浮力为 10 N
B. A 的底面积为 50 cm2
C. B 的重力为 20 N
D. B 的密度为 0. 75×103 kg/m3
B 的密度
B 的体积为 2 000 cm3 , A、 B 整体
整体受到的浮力
根据悬浮的条件知,
D
考点 阿基米德原理的应用
典例2 (多选)将一质量为 900 g、底面积为 100cm2 、高为 12 cm 的不吸水圆柱体放在盛有 4.2 kg 水的薄壁 (厚度不计) 柱形容器内,容器底面积为 300 cm2 ,如图所示。打开阀门 K,放出 3 kg 的水后关闭阀门 (ρ水 = 1. 0×103 kg/m3,g 取 10 N/ kg)。下列说法正确的是( )
由题意得圆柱体的体积
圆柱体的密度
A. 圆柱体的密度为 0. 75×103 kg/m3
B. 放水前水面距容器底部的高度为 14 cm
C. 放水后水对容器底部的压力为 21 N
D. 放水后水对容器底部的压强为 600 Pa
考点 阿基米德原理的应用
典例2 (多选)将一质量为 900 g、底面积为 100cm2 、高为 12 cm 的不吸水圆柱体放在盛有 4.2 kg 水的薄壁 (厚度不计) 柱形容器内,容器底面积为 300 cm2 ,如图所示。打开阀门 K,放出 3 kg 的水后关闭阀门 (ρ水 = 1. 0×103 kg/m3,g 取 10 N/ kg)。下列说法正确的是( )
A. 圆柱体的密度为 0. 75×103 kg/m3
B. 放水前水面距容器底部的高度为 14 cm
C. 放水后水对容器底部的压力为 21 N
D. 放水后水对容器底部的压强为 600 Pa
放水前,由图所示,圆柱体漂浮在水里,所以
排开水的体积
所以液面上升的高度
没放圆柱体之前水的体积
水的高度
所以放水前水面距容器底部的高度
考点 阿基米德原理的应用
典例2 (多选)将一质量为 900 g、底面积为 100cm2 、高为 12 cm 的不吸水圆柱体放在盛有 4.2 kg 水的薄壁 (厚度不计) 柱形容器内,容器底面积为 300 cm2 ,如图所示。打开阀门 K,放出 3 kg 的水后关闭阀门 (ρ水 = 1. 0×103 kg/m3,g 取 10 N/ kg)。下列说法正确的是( )
A. 圆柱体的密度为 0. 75×103 kg/m3
B. 放水前水面距容器底部的高度为 14 cm
C. 放水后水对容器底部的压力为 21 N
D. 放水后水对容器底部的压强为 600 Pa
圆柱体下面水的高度
放水前圆柱体浸在水中的深度
圆柱体下面水的质量
则当放水 2. 4 kg,圆柱体刚好漂浮,现在放水 3 kg,所以圆柱体沉底,此时水面下降的高度
现在水的高度
所以放水后水对容器底的压强
则放水后水对容器底的压力
AD
考点 阿基米德原理的应用
典例3 小明洗菜时发现体积较大的土豆沉入水底,体积较小的西红柿浮于水面,土豆受到的浮力 受到的浮力;他想测量土豆的密度, 用细线将土豆挂在弹簧测力计下示数为 2. 4 N,再将其浸没水中测力计示数为 0. 4 N,则土豆的密度是 g / cm3 。(g 取10 N/ kg)
西红柿和土豆都放在水里,液体密度一定,但土豆排开液体体积比西红柿大,由
F浮 = ρ水 gV排 可知,土豆所受浮力大;
由题意可知,土豆的重力 G=2.4N,土豆浸没在水中受到的浮力F=2.4 N-0.4N=2 N,
土豆的体积
土豆的密度
大于
1.2
考点 阿基米德原理的应用
典例4 如图甲所示,不吸水的石 块 m 叠放在浸在水中的木块 M 上保持静止。石块的重力为 4 N、体积为 200 cm3 ,木块的重力为 8 N、底面积为 200 cm2,此时木块 M 排开液体的体积为 ______cm3 。当按图乙方式连接静止时,木块 M 底部受到水的压强为_____Pa。 (g 取 10 N/ kg)
500
1200
把石块 m、木块 M 看作一个整体,在甲、 乙两图中整体都处于漂浮状态, 则根据浮沉条件可知两图中整体受到的浮力相等, 由F浮 = ρ水 gV排可知整体排开水的体积相等, 所以 Vm排 +VM排 = V排, 且图乙中石块 m 排开水的体积 Vm排 =Vm= 200 cm3, 则图乙中木块 M 排开水的体积
由 V =Sh 可得木块 M 浸入水中的深度
所以 此时木块 M 底部受到水的压强
石块 m 叠放在浸在水中的木块 M 上保持静止, 此时处于漂浮状态, F浮 = GM+Gm=ρ水 gV排,则此时木块 M 排开液体的体积
V排 =
A
480143.53
$