Question

1．如圖1所示，彈簧測力計下面掛一實心圓柱體，將圓柱體從盛有水的容器上方離水面某一高度處緩緩下降（其底面積始終與水面平行），使其逐漸浸沒入水中某一深度處，如圖是整個過程彈簧測力計的示數(shù)F與圓柱體下降高度h變化關(guān)系的數(shù)據(jù)圖象如圖2（容器厚度不計，g=10N/kg）求：
（1）圓柱體浸沒時受到的浮力？
（2）圓柱體的密度？
（3）不考慮水面上升，圓柱體在剛浸沒時下表面受到的水的壓強？若盛水容器的底面積為100cm²，當(dāng)圓柱體完全浸沒時與圓柱體未浸入水前相比較，水對容器底產(chǎn)生的壓強增加了多少？容器對水平支持面的壓強增加了多少？

Answer 1

分析 為了便于分析，給線段標(biāo)上A、B、C、D四個點，如下圖，根據(jù)圖象分析如下：

（1）由圖可知AB段圓柱體未浸入液體，測力計的示數(shù)即為圓柱體的重力，所以從圖中可讀出圓柱體的重力大小．
圖中CD段是圓柱體完全浸入水后的情況，由圖可知圓柱體完全浸入水后測力計對圓柱體的拉力，再利用力的平衡條件求出圓柱體受到的浮力．
（2）利用阿基米德原理求得圓柱體的體積，利用密度公式求得圓柱體的密度．
（3）物體在液體中受到的壓強與物體浸入液體的深度有關(guān)，根據(jù)浸入液體的深度計算液體壓強的大�。�
根據(jù)排開水的體積和容器的底面積求出水面變化的高度，然后根據(jù)△p=ρg△h求出水對容器底壓強的增加量；
支持面壓力增加量等于物體受到的浮力，然后根據(jù)△p=$\frac{△F}{S}$求出支持面壓力的增加量．

解答 解：（1）

由圖象可知：
當(dāng)h=0時，彈簧測力計示數(shù)為12N，此時圓柱體處于空氣中，根據(jù)二力平衡條件可知：G=F_拉=12N；
圖象中CD段是圓柱體完全浸入水中的情況，此時圓柱體受到的拉力：F=4N，
則圓柱體浸沒時受到的浮力：F_浮=G-F=12N-4N=8N．
（2）圓柱體完全浸入水中時，根據(jù)F_浮=ρ_水gV_排得：
V_物=V_排=$\frac{{F}_{浮}}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{8N}{1×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×10N/kg}$=0.8×10^-3m³，
物體的質(zhì)量：m=$\frac{G}{g}$=$\frac{12N}{10N/kg}$=1.2kg，
則圓柱體密度：ρ_物=$\frac{m}{{V}_{物}}$=$\frac{1.2kg}{0.8×1{0}^{-3}{m}^{3}}$=1.5×10³kg/m³．
（3）由圖象可知，不考慮水面上升，圓柱體在剛浸沒時，物體下降的高度7cm-3cm=4cm，則下表面所處的深度為h=4cm=0.04m，
因此剛浸沒時下表面受到的液體壓強P=ρ_水gh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.04m=400Pa；
物體完全浸沒時排開水的體積：V_排=8×10^-4m³，
水面升高的深度：△h=$\frac{{V}_{排}}{S}$=$\frac{8×1{0}^{-4}{m}^{3}}{100×1{0}^{-4}{m}^{2}}$=0.08m；
水對容器底壓強的增加量：△p=ρ_水g△h=1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.08m=800Pa；
容器對水平支持面壓力的增加量：△F=F_浮=8N；
容器對水平支持面壓強的增加量：△p′=$\frac{△F}{S}$=$\frac{8N}{100×1{0}^{-4}{m}^{2}}$=800Pa．
答：（1）圓柱體浸沒時受到的浮力為8N．
（2）圓柱體的密度為1.5×10³kg/m³．
（3）圓柱體在剛浸沒時下表面受到的水的壓強為400Pa；
若盛水容器的底面積為100cm³，當(dāng)圓柱體完全浸沒時與圓柱體未浸入水前相比較，水對容器底產(chǎn)生的壓強增加了800Pa；
容器對水平支持面的壓強增加了800Pa．

點評 本題用到的知識點有重力、質(zhì)量、密度、二力平衡、受力分析、阿基米德原理、壓強的計算等，考查學(xué)生結(jié)合圖象對所學(xué)知識進行綜合分析的能力，難度較大．