【題目】有兩個(gè)用不同材料制成的實(shí)心正方體A、B,已知A 重8N,B 重4N;A 的邊長(zhǎng)為4cm,B 的邊長(zhǎng)為8cm.如圖25 所示,輕質(zhì)彈簧將A、B 表面的中央連接固定.水平放置的圓柱形容器內(nèi)盛有一定量的某種液體,穩(wěn)定后物體A 與容器底部接觸(不密合),B 的上表面與液面平行且與液面相距2cm,此時(shí)物體A 對(duì)容器底部的壓強(qiáng)為500Pa.已知圓柱形容器的底面積為100cm2;彈簧不受力時(shí)長(zhǎng)為10cm,在彈性限度內(nèi)其所受力F的大小與彈簧變形量的關(guān)系如圖所示.(彈簧的體積忽略不計(jì),g取10N/kg)求:
(1)物體A 的密度;
(2)物體A、B 所受的浮力之和;
(3)容器內(nèi)所盛液體的質(zhì)量.

【答案】
(1)解:已知A重G=8N.A的質(zhì)量:

m= =0.8kg=800g;

A 的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)=4cm,A的體積V=L3=(4cm)3=64cm3,

物體A 的密度:

ρ= =12.5g/cm3


(2)解:彈簧的體積忽略不計(jì),g取10N/kg,可將AB視為一個(gè)整體,

兩正方體重力和:

GAB=8N+4N=12N﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣①

整體受豎直向下的重力GAB、浮力的作用F和底部對(duì)其的支持力F的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài),

故GAB=F+F,所以,F(xiàn)浮BA=GAB﹣F=﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣②

此時(shí)物體A 對(duì)容器底部的壓強(qiáng)為p=500Pa,A 對(duì)容器底部壓力為:

FA=pSA=500Pa×(4×10﹣2m)2=0.8N,

根據(jù)力的作用相互性,容器底部對(duì)A的支持力:

F=0.8N﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣③,

由①②③得:物體A、B 所受的浮力之和;

故F浮BA=11.2N﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣④


(3)解:B 的上表面與液面平行且與液面相距2cm,故B排開(kāi)液體的體積V排B=(8cm﹣2cm)×(8cm)2

A排開(kāi)液體的體積V排A=(4cm)3,

兩物體排開(kāi)液體的體積之比:

= ,

根據(jù)阿基米德原理FgV,在液體密度相同時(shí),受到浮力與排開(kāi)液體的體積成正比,

= ﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣⑤,

由④⑤得:B受到浮力:

F浮B= ×11.2N=9.6N,

以B為研究對(duì)象,受豎直向下的重力GB=8N,豎直向上的浮力F浮B=9.6N、及彈簧施加彈力F的作用,處于靜止?fàn)顟B(tài),因浮力大于重力作用,彈簧對(duì)B施加的彈力方向豎直向下,(根據(jù)力的作用是相互的,B對(duì)彈簧的拉力方向豎直向下,即彈簧在水中伸長(zhǎng)了),故GB=F浮B+F,

故F=F浮B﹣GB=11.2N﹣4N=5.6N,

由圖象知,此時(shí)彈簧伸長(zhǎng)為2.8cm;此時(shí)彈簧的長(zhǎng)為:

h=10cm+2.8cm=12.8cm,

故容器內(nèi)液體的深度:

h′=6cm+12.8cm+4cm=22.8cm,

容器內(nèi)液體的體積:

V=h′×S﹣V排A﹣V排B=22.8cm×100cm2﹣64cm3﹣384cm3=1832cm3,

F浮BAg(V排B+V排A),

液體的密度:

ρ= = =2.5×103kg/m3,

液體的質(zhì)量:

mV=2.5×103kg/m3×1832×10﹣6m3=4.58kg


【解析】(1)已知物體的重力,根據(jù)G=mg變形公式求質(zhì)量,已知A的邊長(zhǎng)可求體積,根據(jù)密度公式可求密度大。唬2)因不知液體的密度,故不能直接根據(jù)阿基米原理求浮力, 物體A 對(duì)容器底部的壓強(qiáng)為500Pa,根據(jù)F=pS可求A對(duì)容器底的壓力,根據(jù)力的作用相互性,可知底部對(duì)A的作用力,
將AB視為一個(gè)整體,分析其受力,根據(jù)力的平衡列方程,可求出物體A、B 所受的浮力之和;(3)根據(jù)阿基米德原理FgV , 在液體密度相同時(shí),受到浮力與排開(kāi)液體的體積成正比,在(2)的基礎(chǔ)上可求B受到的浮力;
以B為研究對(duì)象分析受力,根據(jù)B受到的浮力與B的重力大小可判斷B受到的彈簧施加力的方向,根據(jù)力的平衡列方程,求出彈簧的彈力大小,由圖象可知彈簧的形變量,求出彈簧現(xiàn)在的長(zhǎng)度,從而可求液體的深度;根據(jù)圖示可求容器液體的實(shí)際體積;
以AB整體為研究,根據(jù)FgV可排求出液體的密度,
根據(jù)mV可求出液體的質(zhì)量.
【考點(diǎn)精析】關(guān)于本題考查的密度的計(jì)算和浮力大小的計(jì)算,需要了解密度公式:ρ = m/v;浮力的公式為:F= Ggv才能得出正確答案.

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