16.如圖所示,一個邊長為1m的正方體靜止在底面積為2m2的容器底(容器重力不計),上表面到水面的深度為h=2m,現(xiàn)在用一根粗細和重力不計的繩子將該正方體從水底豎直向上拉起,直至完全拉出水面,在整個拉動過程中,正方體始終保持勻速運動,拉力大小隨時間的變化關(guān)系如圖所示,求:
(1)正方體在露出水面前受到水的浮力是多少N?
(2)正方體離開容器底到露出水面前,繩子的拉力F1是多少N?
(3)正方體的密度是多少kg/m3?
(4)當正方體有一半露出水面時,容器對水平地面的壓強為多少Pa?

分析 (1)已知正方體的體積,根據(jù)阿基米德原理FgV計算正方體浸沒時受到的浮力;
(2)當重物未露出水面時,重物受到三個力的作用,即向上的拉力F1、向上的浮力F和向下的重力G,三個力的關(guān)系為F1+F=G,據(jù)此計算拉力F1;
(3)根據(jù)G=mg計算出物體的質(zhì)量,再根據(jù)密度公式ρ=$\frac{m}{V}$計算出物體的密度;
(4)先根據(jù)圖示和題意求出原來水的深度,從而求出正方體和水的總體積,再求出容器中水的體積,利用公式G=mg=ρVg求出水的重力;當正方體有一半露出水面時,利用阿基米德原理的公式求出正方體此時所受的浮力;當正方體有一半露出水面時,容器對水平地面的壓力等于水和正方體的總重力減去向上的拉力,即F=G+G-F=G+F′,據(jù)此求出容器對水平地面的壓力,進而根據(jù)壓強公式求出容器對水平地面的壓強.

解答 解:(1)正方體在露出水面前受到水的浮力:
FgV=1.0×103kg/m3×10N/kg×(1m)3=1×104N;
(2)由圖象可知,露出水面后繩子的拉力即為正方體的重力,則G=5×104N,
當正方體未露出水面時,它受向上的拉力F1、向上的浮力F和向下的重力G,
根據(jù)力的平衡條件有:F1+F=G,
所以,正方體在露出水面前受到繩子的拉力:
F1=G-F=5×104N-1×104N=4×104N;
(3)根據(jù)G=mg可得,正方體的質(zhì)量:
m=$\frac{G}{g}$=$\frac{5×1{0}^{4}N}{10N/kg}$=5×103kg,
正方體的密度:
ρ=$\frac{m}{V}$=$\frac{5×1{0}^{3}kg}{(1m)^{3}}$=5×103kg/m3;
(4)由圖和題意可知,正方體在露出水面前水的深度:H=h+L=2m+1m=3m,
正方體和水的總體積:V=S容器H=2m2×3m=6m3,
則容器中水的體積:V=V-V=6m3-1m3=5m3
容器中水的重力:G=mg=ρVg=1.0×103kg/m3×5m3×10N/kg=5×104N;
當正方體有一半露出水面時,正方體受到水的浮力:
F′=ρgV′=1.0×103kg/m3×10N/kg×$\frac{1}{2}$×1m3=5×103N;
根據(jù)稱量法測浮力(或力的平衡條件)可知,F(xiàn)′=G-F
已知容器重力不計,當正方體有一半露出水面時,容器對水平地面的壓力等于水和正方體的總重力減去向上的拉力,即F=G+G-F=G+F′=5×104N+5×103N=5.5×104N;
此時容器對水平地面的壓強為:
p=$\frac{{F}_{壓}}{{S}_{容器}}$=$\frac{5.5×1{0}^{4}N}{2{m}^{2}}$=2.75×104Pa.
答:(1)正方體在露出水面前受到水的浮力是1×104N;
(2)正方體離開容器底到露出水面前,繩子的拉力F1是4×104N;
(3)正方體的密度是5×103kg/m3;
(4)當正方體有一半露出水面時,容器對水平地面的壓強為2.75×104Pa.

點評 本題綜合考查了阿基米德原理、稱量法計算浮力、密度的計算、固體壓強的計算;正確分析圖象并獲取有用的信息,方可解答此題;本題的難點是第4小題,關(guān)鍵要知道“容器對水平地面的壓力等于水和正方體的總重力減去向上的拉力”以及G-F=F′.

練習(xí)冊系列答案
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(2)閉合開關(guān)前,圖中滑動變阻器的滑片P應(yīng)位于A(選填“A”或“B”)端.
(3)閉合開關(guān),移動變阻器的滑片P,發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不亮,電壓表有示數(shù)、電流表無示數(shù),原因可能是
小燈泡斷路(寫出一種即可).
(4)排除故障后,閉合開關(guān)、移動滑片P至電壓表的示數(shù)如圖b所示,其讀數(shù)為2.2V;要獲得小燈泡額定功率的數(shù)據(jù),滑片P應(yīng)向B(選填“A”或“B”)移動.
(5)改變滑片P的位置,獲得多組對應(yīng)的電壓、電流值,繪制得如圖c所示的I-U圖象.由圖象可知,小燈泡兩端電壓是1.5V時,其電阻是10Ω,額定功率是0.5W.PB部分和PC部分串聯(lián),電流相等,PB部分比PC部分的電阻大,根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt,在通電相同的條件下,PB部分產(chǎn)生的熱量較多,所以熱.

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(3)另一位同學(xué)正確連接好電路后,合上開關(guān)時發(fā)現(xiàn)燈光特別亮,這說明他在閉合開關(guān)前沒有將滑動變阻器的滑片移動到使電路中電阻最大的位置.
(4)為了測定燈泡的額定功率,應(yīng)調(diào)節(jié)滑動變阻器,使電壓表的讀數(shù)為2.5V,如果此時電流表的讀數(shù)如圖丙所示,則該燈泡的額定功率是0.35W.

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