初中物理阿基米德原理的应用试题

如图，柱状容器下方装有一阀门，容器底面积为S＝200cm ²，另有一边长为L ₁＝10cm的正方体木块，表面涂有很薄的一层蜡，防止木块吸水（蜡的质量可忽略），现将木块用细绳固定在容器底部，再往容器内倒入一定量的水，使木块上表面刚好与水面相平，绳长L ₂＝20cm，木块的密度为ρ _木＝0.6×10 ³kg/m ³。求：

（1）图中水对容器底的压强？

（2）若从阀门放出m ₁＝300g的水后，木块受到的浮力多大？

（3）若从阀门继续放出m ₂＝200g的水后，细绳的拉力多大？

物理兴趣小组设计了一个便携式水深测量装置，它主要由探头 $A$和控制盒 $B$构成，它们之间用有绝缘皮的细导线形成回路，如图甲所示，其中探头 $A$是一个高为 $0.1m$，重为 $5N$的圆柱体，它的底部是一个压敏电阻 $R$（与水的接触面涂有绝缘漆），工作时，底部始终与水平面相平，压敏电阻 $R$的阻值随表面所受压力 $F$的大小变化如图乙所示， $A$与 $B$间的电路连接关系如图丙所示，其中电源电压恒为 $4.5V$，小组同学将该装置带到游泳池，进行相关的测量研究。（导线重力与体积均不计， $g$取 $10N/\mathit{kg})$求：

（1）当把探头 $A$刚好全部浸没到池水中时，探头 $A$底部受到的压力为 $1N$，探头 $A$的底面积为多少？

（2）用手拉住导线，将探头 $A$缓慢下降到池水中某一深度（探头 $A$不接触池底），此时电流表的示数为 $0.3A$，探头 $A$底部所在处水的深度 $h$为多少？

（3）用手拉住导线，将探头 $A$下降到水深为 $2.6m$的水平池底（但不与池底密合），且导线处于完全松弛状态，此时电流表的示数是多少？

今年5月，运用“蓝鲸一号”钻探平台，我国南海神孤海域首次实现可燃冰试采成功。

材料一：可燃冰，学名天然气水化合物，其化学式为 $C{H}_4·8H_{2}O$．它是天然气的固体状态（因海底高压）。埋于海底地层深处的大量有机质在细菌的分解作用下，最后形成石油和天然气（石油气），其中许多天然气被包进水分子中，在海底的低温 $(2~5^{°}\text{C})$与压力下结晶，形成“可燃冰”。

材料二：“蓝鲸一号”钻探平台设计和建造过程创新了多项世界记录。它长117米，宽92.7米，高118米，质量为42000吨。

请根据上述材料回答：

（1）形成可燃冰需要一定的生态环境。

①海底底层深处，这些分解有机质的细菌能很好的生存，体现了生物对环境的　　，这些细菌分解有机质　　（选填“需要”或“不需要” $)$氧气。这些细菌与真菌在细胞结构上的主要区别是　　。

②在开采过程中，极少量的垃圾废弃物没有对海洋环境造成破坏，这主要是因为海洋生态系统有　　的 能力。

（2）形成可燃冰的其中一个条件是有甲烷气源。

①可燃冰 $(C{H}_4·8H_{2}O)$中 $C:H:O$的元素质量比是　　。甲烷属于　　（选填“有机物”或“无机物” $)$

②与石油、煤等化石燃料相比较，开采可燃冰的积极意义有（写一条）　　。（可燃冰在空气中燃烧的化学方程式为 $C{H}_4\cdot 8H_{2}O+2O_2\frac{\underset{¯}{\mathit{点燃}}}{}C{O}_2+10H_{2}O)$

（3）如果南海海水的密度是 $1.03\times {10}^3$千克 $/$米 ${}^3$，“蓝鲸一号”钻探平台漂浮海面受到海水浮力是　　牛，浸入海水的体积至少需要　　米 ${}^3$，开采处的可燃冰可以直接在管口点燃，说明已经成为气体，从固体变成气体的原因可能是　　。

某电热加湿器具有防干烧功能，可在水量不足时自动停止工作，其工作原理如图所示；水箱中的加热器具有高、低两挡功率调节功能，其内部电路（未画出）由开关 $S$和阻值分别为 $121\Omega$和 $48.4\Omega$的电阻丝 $R_1$、 $R_2$组成。轻弹簧的下端固定在水箱底部，上端与一立方体浮块相连，浮块内有水平放置的磁铁。该加湿器为防干烧已设定：仅当浮块处于图中虚线位置时，固定在水箱侧壁处的磁控开关方能闭合而接通电路。

（1）当处于高功率挡时，加热器工作 $2.5\mathit{min}$所产生的热量全部被 $1\mathit{kg}$的水吸收后，水温升高了 ${50}^{°}\text{C}$．已知加热器处于低功率挡时的功率为 $400W$，电压 $U=220V$，水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$。

①求加热器处于高功率挡时的功率；

②请画出加热器内部电路。

（2）当向水箱内缓慢加水使浮块上升至图中虚线位置时，浮块下表面积距水箱底部的高度为 $20\mathit{cm}$，弹簧对浮块的弹力大小为 $6N$，浮块（含磁铁）的质量为 $0.4\mathit{kg}$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

①求浮块上升至虚线位置时排开水的体积；

②该加湿器所设定的防干烧最低水面距水箱底部的高度为　　 $\mathit{cm}$，理由是　　。

如图甲所示，用动滑轮将正方体物块从装有水的容器底部缓慢匀速提起，拉力 $F$ 随提升高度 $h$ 变化的关系如图乙所示。物块完全离开水面后，动滑轮的机械效率为 $87.5\%$ ，绳重和摩擦忽略不计。下列选项正确的是 $($ 　　 $)$

A．	物块的边长为 $0.6m$
B．	动滑轮重为 $300N$
C．	提升物块完全离开水面前，动滑轮的机械效率大于 $87.5\%$
D．	将物块提升至上表面与水面相平的过程中拉力 $F$ 做的功为 $1650J$

小明对"篮球在空气中是否受到浮力"进行探究，由此进行一系列的思考与实验，并最终设计出可直接测量空气密度的简易"空气密度仪"。

（1）如图甲，将一个带阀门的篮球放在天平的托盘上，阀门连接未充气的气球，且处于关闭状态。加砝码使天平平衡。打开阀门，气球变大，天平指针向右偏转。指针向右偏转的原因是 　　。

（2）为测量篮球受到的浮力大小，小明设计了如图乙所示的电路。电路中电源电压 $U$ 为6伏，定值电阻 $R_0$ 的阻值为10欧， $R$ 是力敏电阻，其阻值与所受压力 $F_B$ 的关系如图丙所示。当左盘中篮球未给气球充气时，电流表示数为0.2安，当篮球给气球充气到体积为篮球的2倍时（篮球体积不变），电流表示数为0.15安。力敏电阻 $R$ 所受压力 $F_B$ 与篮球对左侧托盘的压力 $F_A$ 的关系如图丁所示。请计算篮球所受的浮力。

（3）图乙中篮球和气球内的气体总质量保持不变，并控制气球体积为篮球的2倍，在电压表指针所指的刻度盘上标上对应的空气密度值，就制成了一台测量当地空气密度的"空气密度仪"。现用此装置测量大于1.29千克 $/$ 米 ${}^3$ 的空气密度，指针大致指示在何处？请在图戊的刻度盘中用箭头标出，并写出你的判断依据。

庆祝中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动在青岛附近海域举行，图中093改进型攻击核潜艇于2019年4月27日公开亮相，进行了战略巡航。该潜艇最大核动力功率为 $2.8\times {10}^4\mathit{kW}$，完全下潜到海面下后的排水量为 $6.8\times {10}^{3}t$（取海水密度 $\rho =1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$、 $g=10N/\mathit{kg})$。问：

（1）该潜艇悬浮时，其上一面积为 $0.05m^2$的整流罩距海面深度为 $200m$，此时整流罩受到海水的压力为多少？

（2）若最大核动力功率转化为水平推力功率的效率为 $80\%$，该潜艇在海面下以最大核动力功率水平巡航时，受到的水平推力为 $1.6\times {10}^{6}N$，此时潜艇的巡航速度为多少？

（3）该潜艇浮出海面处于漂浮时，露出海面的体积为 $1.5\times {10}^3{m}^3$，此时潜艇的总重量是多少？

如图甲所示是一种家庭水箱水位测量装置示意图，电源电压 $18V$保持不变，电压表量程 $0-15V$，电流表量程 $0-3A$， $R_0$是阻值为 $10\Omega$的定值电阻， $R_1$是长 $20\mathit{cm}$、阻值为 $20\Omega$的电阻丝，滑片 $P$把电阻丝与轻质弹簧的指针连在一起。圆柱体 $M$长 $80\mathit{cm}$，底面积为 $200c{m}^2$．当水位处于最高处时， $M$刚好浸没在水中，滑片 $P$恰好在 $R_1$的最上端。轻质弹簧阻值不计， $M$全部露出水面前，弹簧的伸长长度△ $L$始终与受到的拉力 $F$成正比，如图乙所示。

（1）当水位下降时，电路中示数会随之减小的电表是　　。

（2）当水位处于最高处时，电压表的示数为多少？

（3）当水位下降，圆柱体露出水面部分的长度为 $50\mathit{cm}$时，电流表示数为多少？ $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

如图甲所示，一边长为10cm的正方体物块漂浮于足够高、底面积为0.02m ²的盛有足量水的圆柱形容器中，有 $\frac{1}{5}$ 体积露出水面，ρ _水＝1.0×10 ³kg/m ³，g取10N/kg。求：

（1）该物块受到的浮力；

（2）物块的密度。

如图甲所示，质量分布均匀且不吸水的柱体 高 。足够高的圆柱形容器 底面积为 、装有 深的水。若将 水平切去高度为 的部分，并将切去部分竖直缓慢放入 中，水的深度 随切取高度 的变化关系如图乙所示。柱体 的密度是 　　 ；当切去的高度 为某一值时， 剩余部分对水平桌面的压强和水对容器底部的压强相等，然后向 中缓慢加水，当加入水的质量为 时，水中柱体仍保持直立，水对容器底的压强为 　　 。

如图甲所示，小勇同学设计了一个汽车落水安全装置并进行了试验，在汽车的四个门板外侧分别安装一个气囊，气囊的触发由图乙所示电路中 $a$ 、 $b$ 间的电压来控制，压敏电阻 $R_1$ 水平安装在汽车底部 $A$ 处， $R_1$ 的阻值随其表面水的压力的变化如图丙所示。某次试验时：汽车入水前把 $R_2$ 的滑片调到合适位置不动，闭合开关 $S$ ，电压表的示数为 $3V$ ，再把汽车吊入足够高的长方体水池中缓慢下沉，直到 $a$ 、 $b$ 间的电压等于或大于 $3V$ 时，气囊就充气打开，使汽车漂浮在水中，试验装置相关参数如表所示。

电源电压	$4.5V$
$R_1$ 接触水的面积	$15c{m}^2$
长方体水池底面积	$20m^2$

（1）求汽车入水前电路中的电流；

（2）当汽车漂浮时，测得水池的水位比汽车入水前上升了 $8\mathit{cm}$ （水未进入车内），求汽车受到的重力；

（3）求气囊充气打开时汽车 $A$ 处浸入水中的深度。

如图所示，水中有一支长 $14\mathit{cm}$ 、底部嵌有铁块的蜡烛，露出水面的长度为 $1\mathit{cm}$ ，点燃蜡烛，至蜡烛熄灭时，水对容器底部产生的压强 　　（选填"变大"、"变小"或"不变" $)$ 。熄灭时蜡烛所剩长度为 　　 $\mathit{cm}$ 。 $\left({\rho }_{蜡}=0.9\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

如图甲所示，薄壁圆柱形容器放在水平台上，容器的底面积 $S_{容}=100c{m}^2$ ，质量均匀的圆柱体物块上表面中央用足够长的细绳系住，悬挂于容器中。以恒定速度向容器中缓慢注水（每分钟注入 $100g)$ ，直至注满容器为止，细绳的拉力大小与注水时间的关系图像如图乙所示。 ${\rho }_{水}=1g/c{m}^3$ ，常数 $g=10N/\mathit{kg}$ ，物块不吸水，忽略细绳体积、液体扰动等其它次要因素。

（1）求注水前圆柱体物块的下表面到容器底部的距离 $L_1$ ；

（2）当细绳的拉力为 $0.9N$ 时，求水对物块下表面的压强；

（3）若改为以恒定速度向容器中缓慢注入另一种液体（每分钟注入 $100c{m}^3$ ， ${\rho }_{液}=1.5g/c{m}^3)$ ，直至 $9.4\mathit{min}$ 时停止。求容器底部所受液体压强 $p$ 与注液时间 $t_x$ 分钟 $(0⩽t_x⩽9.4)$ 的函数关系式。

如图甲所示为中国首艘国产航母 $001A$下水时的情景。某中学物理兴趣小组的同学在实验室模拟航母下水前的一个过程，他们将一个质量为 $2\mathit{kg}$的航母模型置于水平地面上的一个薄壁柱形容器底部，该柱形容器质量为 $6\mathit{kg}$，底面积为 $0.03m^2$，高为 $0.4m$，如图乙所示。现在向容器中加水，当加水深度为 $0.1m$时，模型刚好离开容器底部，如图丙所示。继续加水直到深度为 $0.38m$，然后将一质量为 $0.9\mathit{kg}$的舰载机模型轻放在航母模型上，静止后它们一起漂浮在水面。求：

（1）图丙中水对容器底部的压强为多少帕？

（2）图丙中航母模型浸入水中的体积为多少立方米？

（3）放上舰载机后整个装置静止时，相对于水深为 $0.38m$时，容器对水平地面的压强增加了多少帕？

$75\%$的医用酒精可以有效灭活新型冠状病毒，小刚从网上购置了两瓶某品牌 $75\%$的医用酒精，说明书如图甲所示，小刚查到 $75\%$的医用酒精密度为 $0.87g/c{m}^3$，于是想通过测量该酒精的密度来鉴定其产品是否合格：

（1）小刚取适量该酒精进行实验：

①     为使测量结果更准确，以下实验操作步骤合理顺序是　　（用字母表示）。

$A$．计算酒精的密度

$B$．用天平测出烧杯的质量 $52.4g$

$C$．在烧杯中盛适量的酒精，用天平测出酒精和烧杯的总质量

$D$．调节天平平衡

$E$．将烧杯中的酒精倒入量筒中，读出其体积，如图乙所示

②测量酒精和烧杯总质量时，砝码和游码的位置如图丙所示。则总质量为　　 $g$，该酒精的密度是　　。

③根据测量结果，小刚能否鉴定该产品是否合格？并说明理由　　。

（2）在学完浮力的知识后，小刚又想到可以利用弹簧测力计，水、烧杯，细线和小石块来测量该酒精的密度。实验操作步骤如下：

$a$．用细线将小石块绑好，挂在弹簧测力计下，读出测力计示数 $F_1$

$b$．在烧杯中倒入适量的水，将小石块挂在弹簧测力计下使其浸没在水中，读出测力计示数 $F_2$

$c$．算出小石块的体积 $V_{石}$

$d$．在擦干水的烧杯中倒入适最的酒精，将已擦干的小石块挂在弹簧测力计下，使其浸没在酒精中，读出测力计示数 $F_3$

根据上述操作步骤，请你帮助小刚推导出该酒精密度 $\rho$的表达式为　　（表达式用测量量的字母表示，水的密度用 ${\rho }_{水}$表示，推导过程要有必要的文字说明）。