初中物理阿基米德原理的应用解答题

如图甲所示，不吸水的长方体物块放在底部水平的容器中，物块的质量为 $0.2\mathit{kg}$，物块的底面积为 $50c{m}^2$，物块与容器底部用一根质量、体积均忽略不计的细绳相连，当往容器中缓慢注水至如图乙所示位置，停止注水，此时，物块上表面距水面 $10\mathit{cm}$，绳子竖直拉直，物块水平静止，绳子的拉力为 $2N$．已知 ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g=10N/\mathit{kg}$。求：

（1）物块的重力；

（2）物块的密度；

（3）注水过程中，绳子刚好竖直拉直时到图乙所示位置时，水对物块下表面压强的变化范围。

如图，"验证阿基米德原理"的实验步骤如下：

①用弹簧测力计测出物体所受的重力 $G$ （图甲）；

②将物体浸没在水面恰好与溢口相平的溢水杯中，用空的小桶接从溢水杯里被物体排开的水，读出这时测力计的示数 $F$ （图乙）；

③测出接水后小桶与水所受的总重力 $G_1$ （图丙）；

④将小桶中的水倒出，测岀小桶所受的重力 $G_2$ （图丁）；

⑤分别计算出物体受到的浮力和排开的水所受的重力，并比较它们的大小是否相同。

回答下列问题：

（1）物体浸没在水中，受到水的浮力 $F_{浮}=$ 　 $G-F$ 　，被排开的水所受的重力 $G_{排}=$ 　　。（用上述测得量的符号表示）

（2）指出本实验产生误差的原因（写出两点）

（a） 　　；

（b） 　　。

（3）物体没有完全浸没在水中， 　　（选填"能"或"不能" $)$ 用实验验证阿基米德原理。

小明要测量木块的密度。实验器材有：木块、弹簧测力计 $(0~5N)$ 、底部固定有滑轮的水槽、细线及足量的水。 $(g$ 取 $10N/\mathit{kg})$

（1）先用弹簧测力计测木块的重力，如图甲，示数为 　 　 $N$ ；再用细线绕过滑轮将木块与测力计连接起来，接着往水槽倒入适量的水，使木块浸没在水中，如图乙，木块在水中静止时测力计示数为 $1.6N$ ．木块的体积为 　　 $m^3$ ，密度为 　　 $\mathit{kg}/m^3$ ．本实验中滑轮的作用是 　　。

（2）小明分析发现，如果把水换成其他液体，测力计的示数就会不同，于是他把测力计的刻度改成相应的密度值，将该装置改装为测量液体密度的"密度计"。原测力计的 $1.0N$ 刻度处应标注为 　　 $\mathit{kg}/m^3$ ，该"密度计"的刻度分布 　　（选填"均匀"或"不均匀" $)$

（3）若要增大这种"密度计"的最大测量值，可以采取的方法有 　　（写出一种即可）。

小明要测量木块的密度。实验器材有：木块、弹簧测力计 $(0~5N)$ 、底部固定有滑轮的水槽、细线及足量的水。 $(g$ 取 $10N/\mathit{kg})$

（1）先用弹簧测力计测木块的重力，如图甲，示数为 　 　 $N$ ；再用细线绕过滑轮将木块与测力计连接起来，接着往水槽倒入适量的水，使木块浸没在水中，如图乙，木块在水中静止时测力计示数为 $1.6N$ ．木块的体积为 　　 $m^3$ ，密度为 　　 $\mathit{kg}/m^3$ ．本实验中滑轮的作用是 　　。

（2）小明分析发现，如果把水换成其他液体，测力计的示数就会不同，于是他把测力计的刻度改成相应的密度值，将该装置改装为测量液体密度的"密度计"。原测力计的 $1.0N$ 刻度处应标注为 　　 $\mathit{kg}/m^3$ ，该"密度计"的刻度分布 　　（选填"均匀"或"不均匀" $)$

（3）若要增大这种"密度计"的最大测量值，可以采取的方法有 　　（写出一种即可）。

如图所示，小丽利用天平、玻璃杯、体积为 $20c{m}^3$ 的金属块、细线等器材测量蜂蜜的密度。

（1）将天平放在水平台上，将游码放到标尺左端的 　 　刻度线上，调节横梁平衡。

（2）在玻璃杯中倒入适量的蜂蜜如图甲所示，用天平称出蜂蜜和玻璃杯的总质量 $m_0$ ，其示数如图乙所示， $m_0=$ 　　 $g$ 。

（3）将金属块浸没在蜂蜜中，金属块不接触玻璃杯并保持静止，且蜂蜜无溢出，如图丙所示。天平平衡后，砝码的总质量加上游码在标尺上对应的刻度值为 $m=150.4g$ ，则蜂蜜密度 $\rho =$ 　　 $g/c{m}^3$ ；

（4）小明用天平测出同种蜂蜜和玻璃杯的总质量后，将浓稠粘滞的蜂蜜沿量筒壁缓缓倒入量筒内测量体积，再用天平测出剩余蜂蜜和玻璃杯总质量。对比小丽的测量方法，小明所测得的密度值 　　（选填"偏大"或"偏小" $)$ 。

如图甲所示，圆柱形物体的底面积为 $0.01m^2$，高为 $0.2m$，弹簧测力计的示数为 $20N$．如图乙所示，圆柱形容器上层的横截面积为 $0.015m^2$，高为 $0.1m$，下层的底面积为 $0.02m^2$，高为 $0.2m$，物体未浸入时液体的深度为 $0.15m$。当物体有一半浸入液体时，弹簧测力计的示数为 $10N$． $(g$取 $10N/\mathit{kg})$求：

（1）物体的质量；

（2）液体的密度；

（3）当物体有一半浸入液体中时，液体对容器底部的压强；

（4）若物体继续浸入液体中，液体对容器底部的压强增大到物体有一半浸入液体时压强的1.2倍，此时弹簧测力计的示数。

小段用如图所示装置，使用一根杠杆 $\mathit{AB}$和滑轮的组合将一合金块从水中提起，滑环 $C$可在光滑的滑杆上自由滑动。已知合金密度 $\rho =1.1\times {10}^4\mathit{kg}/m^3$：所用拉力 $F$为 $500N$，且始终竖直向下： $O$为支点，且 $\mathit{AO}=4\mathit{OB}$：动滑轮的机械效率为 $75\%$．若杠杆质量、杠杆与攴点间摩擦不计，整个过程中合金块始终未露出水面。求：

（1）当拉力 $F$向下移动距离为 $1.2m$时，拉力 $F$对杠杆所做的功？此时绳子对杠杆 $B$点的拉力？

（2）合金块的体积？

如图所示，置于水平桌面上的一个上宽下窄、底面积为 $0.02m^2$的薄壁容器内装有质量为 $4\mathit{kg}$的液体，将一个质量为 $0.6\mathit{kg}$、体积为 $8\times {10}^{-4}{m}^3$的物体放入容器内，物体漂浮在液面时有一半的体积浸在液体中，此时容器内液体的深度为 $0.1m$，求：

（1）物体受到的重力；

（2）容器内液体的密度；

（3）容器内液体对容器底部的压强。

如图所示是打捞物体的模拟装置。现电动机带动钢丝绳自由端以 $0.5m/s$的速度匀速拉动滑轮组，经过 $5\mathit{min}$将体积为 $0.1m^3$的物体由海底提升到海面，物体离开海面后钢丝绳自由端的速度变为 $0.49m/s$，此时电动机的输出功率比物体在海水中时增大了 $12\%$（不计物体的高度、绳重和摩擦， ${\rho }_{物}=7.6\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$， ${\rho }_{\mathit{海水}}$取 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3)$。求：

（1）物体浸没在海水中受到的浮力；

（2）物体在海底时的深度；

（3）物体在海底时受到海水的压强；

（4）物体在海面下匀速上升过程中，该滑轮组的机械效率（不计动滑轮体积）

如图所示，实心物体 $A$漂浮在水面上，现利用电动机通过滑轮组拉动 $A$，使 $A$向下运动。已知 $A$的体积为 $1m^3$，密度为 $0.5\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$．动滑轮重为 $1\times {10}^{3}N$，电动机工作时拉绳子的功率为 $1.2\times {10}^{3}W$且保持不变，不计绳重、摩擦和水的阻力，求：

（1） $A$的重力；

（2） $A$浸没在水中受到的浮力；

（3） $A$向下运动的最小速度；

（4） $A$向下运动过程中，滑轮组机械效率的最大值。

如图甲所示，滑轮组通过轻质弹簧悬挂于 $O$点，下端悬挂一柱形物体并浸没于装有水的柱形容器中，物体上表面恰好与水平面相平，绳子 $A$端固定，忽略滑轮重，绳重及摩擦。已知容器底面积为 $200c{m}^2$，水深 $20\mathit{cm}$，物体的底面积为 $100c{m}^2$，高为 $12\mathit{cm}$，重为 $24N$， ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

（1）求水对容器底的压强；

（2）求水对物体的浮力大小；

（3）求弹簧所受拉力的大小；

（4）若要使柱形物体有 $\frac{3}{4}$的长度露出水面，需打开阀门 $K$放出多少 $\mathit{kg}$的水？（题中弹簧所受拉力 $F$与其伸长量△ $x$的关系如图乙所示）

如图所示，正方形物块边长为 $10\mathit{cm}$，漂浮于足够高的底面积为 $S_0$的盛有足量水的圆柱形容器中，有 $\frac{1}{5}$体积露出水面。 $g$取 $10N/\mathit{kg}$。求：

（1）该物块受到浮力；

（2）该物块的密度；

（3）若未投入物块时，水对容器底部的压力为 $F_0$．试求出物块漂浮时，水对容器底部的压力 $F_1$并求出物块浸没时水对容器底部的压强；

（4）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 $200\mathit{Pa}$，物块浸没时与物块漂浮时水对容器底部的压力之比为 $30:29$，则未投入物块时容器中水的深度是多少？

阅读《福船》回答问题。

福船

跨越遥远时空的海上丝绸之路上，一个名叫"福船"的文化符号历久弥新。福船作为木质时代风帆动力远洋船只中的佼佼者，成就了明代郑和、戚继光、郑成功等人的伟大壮举，为中国乃至世界航海史写下了璀璨的一页。

福船，福建沿海一带尖底古海船的统称，上阔下窄，首尖尾宽两头翘，复原模型图如图所示。其甲板平坦，龙骨厚实，结构坚固；吃水深，容量多，善于装载，稳定性好，抗风力强，适于远洋。

与指南针对航海贡献相媲美的"水密隔舱福船制造技艺"，是中国对世界航海发展史产生深远影响的另一项伟大发明。 2010年11月15日，《中国水密隔舱福船制造技艺》被列入联合国教科文组织"急需保护的非物质文化遗产名录"。所谓"水密隔舱"，就是用厚实的隔舱板把船舱层层隔断，分隔成互不透水的一个一个舱区。在航行过程中，如果有一个或两个舱意外破损，海水进不到其他舱中，从船整体看，仍然保持有足够的浮力，不至沉没。"水密隔舱"技术大大提高了船舶的整体抗沉性。另外隔舱板与船壳板紧密连接，使船体结构也更加坚固。分成隔舱，还便利货物存放管理。水密隔舱福船制造技术，对于远洋航海史研究有着不可替代的重要学术价值。

南京静海寺《郑和残碑》记载："永乐三年 $(1405$ 年），将领官军乘驾二千料海船并八橹船 $\dots$ "。经学术界考证，与北京天坛齐名的二千料海船就是福船。"料"是当时流行的用来表示舟船大小的一种计量单位。二千料海船总长61.2米，最大宽13.8米，型深4.89米；满载时，水线长53米，水线宽13米，吃水3.9米。帆装、给养、武器、人员、货物等及船自身质量总共可达1170吨。郑和下西洋是人类海洋文明史的重要组成部分，是世界航海史上时间最早、规模最大的洲际航海活动。比哥伦布到达美洲大陆航海早了87年，比达 $·$ 伽马过好望角到达印度的航海早了92年，比麦哲伦的环球航海早了114年。郑和下西洋时的中国船舶制造、天文航海、地文航海、季风运用和航海气象预测等方面的技术和航海知识，在当时均处于世界领先地位。

重启海上丝绸之路的今天，"福船"这个珍贵的文化符号成为新兴文创产业里重要的创作灵感，依然在启迪人们不断去开拓创新。

请根据上述材料，回答下列问题：

（1）福船采用了 　 　技术大大提高了船舶的整体抗沉性。请你展开想象，就福船的这一技术设计理念，举例说明还可应用在哪些方面： 　 　。

（2）排水量是衡量造船能力的重要指标。小辉查资料得知：哥伦布远航美洲时，最大的那艘船的满载排水量为 $233t$ 后，他想知道郑和远洋时的二千料海船的排水量 $m$ 。他根据上文中二千料海船的信息计算出排水体积 $V=53m\times 13m\times 3.9m=2687.1m^3$ ，估算出排水量约为 $2687t$ 。请写出这种估算方法不合理的理由，并写出合理的估算方法。

在"验证阿基米德原理"实验中，需要验证浸在液体中的物体受到的 　　与它排开液体受到的 　　大小是否相等，实验还需要 　　的固体和液体进行多次验证（选填"相同"或"不同" $)$

兴趣小组自制液体密度计请选择其中一种方法完成计算，（两种都做，以方法一为准）

我选择方法 　　（一/二）完成计算

方法一：精确测量比水小的液体密度

步骤：

①取一上端开口的薄壁厚底玻璃筒，标有0～50mL体积刻度

②将空玻璃筒开口向上放入水中（ρ _水＝1×10 ³kg/m ³），玻璃筒竖直漂浮，向玻璃筒内加水至50mL刻度线时，在玻璃筒与外侧水面相平处做记号线

③将空玻璃筒开口向上放入酒精中（ρ _酒精＝0.8×10 ³kg/m ³），向玻璃筒内加水至30mL刻度线时，外侧酒精液面恰好与玻璃筒记号线重合

④将空玻璃筒开口向上放入待测液体中，向玻璃筒内加水至外侧待测液体液面与玻璃筒记号线重合，利用玻璃筒内水的体积刻度，可测得待测液体的密度。

g取10N/kg，问：

（1）每次实验，玻璃筒记号线与外侧液面相平时，其排开外侧液体的体积是多大？

（2）玻璃筒的重力有多大？

（3）该密度计能够测量的液体密度的最小值有多大？

方法二：精确测量比水大的液体密度

步骤：

①取一上端开口的薄壁厚底玻璃筒，标有0～50mL体积刻度

②将空玻璃筒开口向上放入水中（ρ _水＝1×10 ³kg/m ³），玻璃筒竖直漂浮，在玻璃筒与外侧水面相平处做记号线

③将空玻璃筒开口向上放入盐水中（ρ _盐水＝1.2×10 ³kg/m ³），向玻璃筒内加水至20mL刻度线时，外侧盐水液面恰好与玻璃筒记号线重合

④将空玻璃筒开口向上放入待测液体中，向玻璃筒内加水至外侧待测液体液面与玻璃筒记号线重合，利用玻璃筒内水的体积刻度，可测得待测液体的密度。

g取10N/kg，问：

（1）每次实验，玻璃筒记号线与外侧液面相平时，其排开外侧液体的体积是多大？

（2）玻璃筒的重力有多大？

（3）该密度计能够测量的液体密度的最大值有多大？