初中物理阿基米德原理的应用试题

2017年5月23日，我国“蛟龙号”载人潜水器在马里亚纳海沟北坡下潜。有史以来，首次对4000米级的玛利亚纳海沟进行深入的现场探查，首次观察到4811米的海底世界。当“蛟龙号”载人潜水器下潜到 $4000m$时 $\left(g=10N/\mathit{kg},{\rho }_{\mathit{海水}}=1.03\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$，求：

（1）“蛟龙号”载人潜水器所受海水的压强；

（2）“蛟龙号”载人潜水器上某个观测孔面积约为 $0.03m^2$，该观测孔受到海水的压力；

（3）“蛟龙号”载人潜水器体积大约 $50m^3$，它受到的浮力。

弹簧测力计下挂着一重为 $12N$的实心小球，小球浸没在水中并静止时，弹簧测力计示数为 $7N$．此时小球受到的浮力是　　 $N$，其密度是　　 $\mathit{kg}/m^3$． $(g=10N/\mathit{kg})$

某学习小组想测量一块形状不规则的小矿石的密度，他们手边只有以下器材：

天平一台，但没有砝码两个质量相近的烧杯量筒（其内径略小于矿石块的尺寸，无法将石块直接放入其中）

细线、滴管和足量的水（已知水的密度为 ${\rho }_{水})$，该小组利用上述器材设计了如下实验方案，请你帮助他们完善方案。

实验方案（主要实验步骤） $:$

（1）将两个烧杯分别放入天平的两个托盘上，各注入适量的水（保证后面的操作中水均不会从烧杯溢出），使天平平衡。如果在后面的步骤中要将矿石块放到左盘上的烧杯内，则对左盘烧杯的注水量还应有何要求：　　。

（2）向量筒中加入适量的水，记下体积 $V_1$。

（3）手提细线吊住矿石块，将它浸没在左盘的烧杯中，且不与烧杯接触，用滴管将量筒中的水滴入　　盘的烧杯中，直到天平平衡。

（4）记下此时量筒中剩余水的体积 $V_2$．矿石块所受浮力 $F_{浮}=$　　。

（5）　　，再用滴管将量筒中的水滴入右盘的烧杯中，直到天平平衡。

（6）记下量筒中最后剩余水的体积 $V_3$。

（7）矿石块的密度 $\rho =$　　。

如图用一细绳拴住体积为 $0.6d{m}^3$重为 $4N$的木块，使它浸没在水中，此时绳的拉力为　　 $N$；若剪断细绳，当木块静止时水面将　　（选填“上升”、“下降”或“不变” $)$。

2012年某日，太平洋某海域，“蛟龙号”完成了下潜前的准备，腹部挂好压载铁块；舱内科考队员均就位；舱门封闭如图甲所示，此时“蛟龙号”的工作参数如表格所示 $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

状态	满载
整体体积	$22.3m^3$
整体质量	$24.95t$
海水密度	$1.1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$

问：（1）在海水中 $1.2\mathit{km}$深处完成科考任务后，发现液压系统故障，无法抛掉压载铁块，只得启动“蛟龙号”两侧的螺旋桨，两侧螺旋桨共同作用使“蛟龙号”获得竖直向上的推力 $F_{推}$，帮助“蛟龙号”匀速上升，不计海水对“蛟龙号”的阻力，匀速上升过程中， $F_{推}$有多大？

（2）上升过程耗时 $2h$， $F_{推}$做功的功率多大？

（3）为保障电动机驱动螺旋桨用电，舱内其他用电器都被关闭，仪表显示上升过程中耗电 $2\mathit{kW}·h$，此过程中，电能转化为 $F_{推}$做功的效率有多大

（4）接近水面时，关闭两侧螺旋桨，轮船用滑轮组将“蛟龙号”从水中匀速吊离水面至高处，如图乙、丙所示，已知动滑轮总质量为 $50\mathit{kg}$，不计绳重及轮、轴之间摩擦，此过程中，滑轮组绳端拉力的最大值多大？与之对应的滑轮组机械效率的最大值为多大？

2016年9月，三峡升船机投入使用，如图所示，升船机能将船只从下游以“坐电梯”的方式抬升至上游；船只在下游驶入钢箱，抬升机构把钢箱匀速竖直托举至上游，抬升大小不同的船只时，钢箱内水深均相等，则抬升机构托举钢箱的力 $($　　 $)$

A．①②③一样大B．①最大C．②最大D．③最大

“漂浮的花盆”获红点设计大奖：用底部密封的花盆养绿植，花盆外侧面作记号线①、②、③，如图所示，当花盆放置于水中漂浮时，盆内土壤不同干湿状态，会导致不同的记号线与水面重叠。下列对应关系中正确的是 $($　　 $)$

A．①偏干，②正常，③偏湿B．①偏干，②偏湿，③正常

C．①偏湿，②偏干，③正常D．①偏湿，②正常，③偏干

如图是我国自主研制的首款大型水陆两栖飞机“鲲龙 $\mathit{AG}600$”，某次执行任务时它的质量为 $38t$，当它停在水面上时，排开水的体积是　　 $m^3$，受到的浮力为　　 $N$． $\left(g=10N/\mathit{kg},{\rho }_{水}=1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

水平桌面上有一容器，底面积为 $100c{m}^2$，容器底有一个质量为 $132g$、体积 $120c{m}^3$的小球，如图甲所示 $({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g=10N/\mathit{kg})$

（1）向容器中注入质量为 $1.6\mathit{kg}$的水时，水深 $13\mathit{cm}$，如图乙所示，求水对容器底的压强；

（2）再向容器中慢慢加入适量盐并搅拌，直到小球悬浮为止，如图丙所示，求此时盐水的密度 ${\rho }_1$；

（3）继续向容器中加盐并搅拌，某时刻小球静止，将密度计放入盐水中，测得盐水的密度 ${\rho }_2=1.2\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，求小球浸入盐水的体积。

一正方体物块边长为 $10\mathit{cm}$，漂浮于足够高的盛有足量水的圆柱形容器中，有 $20\%$体积露出水面。若物块漂浮时与未投入物块时比较，水对容器底部的压强变化了 $160\mathit{Pa}$，则容器的底面积为　　 $m^2$；物块浸没时与物块漂浮时水对容器底部的压力之比为 $40:39$，则未投入物块时容器中水的深度是　　 $m$． $(g$取 $10N/\mathit{kg}$，下同）

排水量是轮船装满货物时排开水的质量。一艘排水量为 $2000t$的轮船，装满货物在河水中航行。河水密度取 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。求：

（1）装满货物时，轮船和货物受到的总重力；

（2）轮船排开水的体积。

某同学在粗细均匀的木棒上缠绕一些细铜丝，制作简易密度计 $A$，如图甲所示。将 $A$依次放入一系列密度已知的液体中，每次当 $A$在液体中处于竖直漂浮状态时，在木棒上标出与液面位置相平的刻度线及相应密度值 $\rho$，并测量木棒浸入液体的深度 $h$，再利用收集的数据画出 $\rho -h$图象，如图乙中图线①所示。该同学继续选用了与 $A$完全相同的木棒，并缠绕了不同质量的铜丝制作简易密度计 $B$．将 $b$同样依次放入一系列密度已知的液体中进行实验，得到图乙中图线②．他进一步研究发现对同一密度计浸入液体的深度 $h$和对应密度 $\rho$的乘积不变。铜丝的体积可以忽略，下列说法正确的是 $($　　 $)$

A．上述实验中密度计 $A$在不同液体中漂浮时，浸入的深度 $h$越大，受到的浮力越大

B．密度计 $B$上越靠近铜丝的位置，其刻度线对应的密度值越小

C．密度计 $A$上缠绕铜丝的质量小于密度计 $B$上缠绕铜丝的质量

D．若图乙中 ${\rho }_3-{\rho }_2={\rho }_2-{\rho }_1$，则密度计 $A$上 ${\rho }_3$与 ${\rho }_2$刻度线的间距大于 ${\rho }_2$与 ${\rho }_1$刻度线的间距

有 $A$、 $B$两个密度分别为 ${\rho }_A$、 ${\rho }_B$的实心正方体，它们的边长之比为 $1:2$，其中正方体 $A$的质量 $m_A$为 $1\mathit{kg}$。如图甲所示，将它们叠放在水平桌面上时， $A$对 $B$的压强与 $B$对桌面的压强之比为 $4:5$；将 $A$和 $B$叠放在一起放入水平桌面盛水的容器中，如图乙所示，水面静止时，正方体 $B$有 $\frac{1}{4}$的体积露出水面，已知 ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$．求：

（1）正方体 $B$的质量 $m_B$是多少？

（2） ${\rho }_A:{\rho }_B$是多少？

（3）正方体 $B$的密度 ${\rho }_B$是多少？

我国常规动力核潜艇具备先进的通讯设备、武器、导航等系统和隐蔽性强、噪声低、安全可靠等优异性能，如图是某型号常规动力核潜艇，主要技术参数如下表（海水密度近似为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3)$。

排水量	水上运动 $2250t$，水下运动 $3000t$	最大潜水深度	$300m$
最大航速	水上 $30\mathit{km}/h$，水下 $36\mathit{km}/h$	水下最大输出功率	$3000\mathit{kW}$

（1）核潜艇在深海中匀速潜行时，如果遭遇海水密度突变造成的“断崖”险情，潜艇会急速掉向数千米深的海底，潜艇突遇“断崖”险情是因为遇到海水的密度突然　　（选填“变大”、“变小”或“不变” $)$造成的，此时应立即将潜艇水舱中的水全部排出，使潜艇受到的重力　　（选填“大于”或“小于” $)$它的浮力。

（2）该潜艇由水下某位置下潜到最大潜水深度处，潜艇上面积为 $2m^2$的舱盖受到海水的压力增大了 $6\times {10}^{5}N$，则潜艇原来位置的深度 $h$是多少？

（3）该潜艇在水下以最大输出功率巡航，当达到最大速度匀速运动时，受到海水的平均阻力 $f$是多少？

小敏同学参加研学旅行时，在湖边捡到一块漂亮的小石块，她用家中常见物品与刻度尺巧妙地测出了小石块的密度，她的测量方案如下：

①用细绳将一直杆悬挂，调节至水平位置平衡，记下细绳在直杆上的结点位置 $O$；

②将一重物悬于结点 $O$左侧的 $A$点，小石块悬于结点 $O$的右侧，调整小石块的位置，如图所示，当小石块悬于 $B$点时，直杆在水平位置平衡；

③用刻度尺测量 $\mathit{OA}$的长度为 $L_1$， $\mathit{OB}$的长度为 $L_2$；

④保持重物的悬点位置 $A$不变，将结点 $O$右侧的小石块浸没在盛水的杯中（且未与杯底、杯壁接触），调整小石块的悬点位置，当小石块悬于 $C$点时，直杆在水平位置平衡；

⑤用刻度尺测量 $\mathit{OC}$的长度为 $L_3$。

请根据她的测量方案回答以下问题

（1）实验中三次调节了直杆在水平位置平衡。其中，第一次调节水平平衡是　　，第二次调节水平平衡是　　；（选填“ $a$”或“ $b$” $)$

$a$．消除直杆自重的影响 $b$．便于测量力臂

（2）实验中长度　　（选填“ $L_1$”、“ $L_2$”或“ $L_3$” $)$的测量是多余的；

（3） $C$点应该在 $B$点的　　（选填“左”或“右” $)$侧；

（4）小石块密度的表达式为 $\rho =$　　（选用字母 ${\rho }_{水}$、 $L_1$、 $L_2$、 $L_3$表示）。