初中物理阿基米德原理的应用实验题

某校"制作浮力秤"项目研究小组，制成如图所示浮力秤。使用过程中，发现称量范围较小，有待提升改造。

【原理分析】浮力秤是利用物体漂浮时 $F_{浮}=G_{物}$ 的原理工作的；浮力大小与液体密度和物体排开液体的体积有关。

【问题提出】浮力大小与液体密度存在怎样的定量关系？

【方案设计】

器材：悬挂式电子秤、金属块 $(4.0N)$ 、大烧杯、水以及各种不同密度的溶液等。

步骤：①将金属块挂在电子秤下，读取电子秤示数并记录；

②将金属块浸没在盛水的烧杯中，读取电子秤示数并记录，然后取出金属块擦干；

③按照步骤②的操作，换用不同密度的溶液，多次重复实验。

【数据处理】

实验编号	1	2	3	4	5	6	7
液体密度     ${\rho }_{液}\left(g/c{m}^3\right)$	$-$	0.8	1.0	1.2	1.4	1.9	2.0
电子秤示数     $F_{拉}\left(N\right)$	4.0	3.6	3.5	3.4	3.3	2.6	3.0
浮力大小     $F_{浮}\left(N\right)$	$-$	0.4	0.5	$x$	0.7	1.4	1.0

【交流分析】

（1）表格中 $x$ 的数据是 　　；

（2）实验过程中，除步骤①外，其余每一次测量，金属块都需要浸没，其目的是 　　；

（3）小组同学对实验数据进行了分析讨论，认为第6次实验数据异常。若电子秤正常工作、电子秤读数和表中数据记录均无误。则造成此次实验数据异常的原因可能是 　　。

【得出结论】 $\dots \dots$

【知识应用】（4）根据以上探究，写出一种增大浮力秤称量范围的方法 　　。

某小组探究"浮力的大小与排开液体所受重力的关系"。

（1）弹簧测力计使用前要先进行 　　。

（2）实验步骤如图1所示，甲、乙、丁、戊中弹簧测力计的示数分别为 $F_1$ 、 $F_2$ 、 $F_3$ 、 $F_4$ 。由图甲和丁可知物体受到的浮力 $F_{浮}=$ 　　。

（3）以下选项中若 　　成立，则可以得出浮力的大小与排开液体所受重力的关系。

A．	$A.F_1-F_2=F_3-F_4$
B．	$B.F_1-F_3=F_4-F_2$
C．	$C.F_3-F_2=F_1-F_4$

（4）另一小组利用两个相同的弹簧测力计 $A$ 和 $B$ 、饮料瓶和吸管组成的溢水杯、薄塑料袋（质量忽略不计）对实验进行改进，装置如图2所示。向下移动水平横杆，使重物缓慢浸入盛满水的溢水杯中，观察到 $A$ 的示数逐渐 　　， $B$ 的示数逐渐 　　，且 $A$ 、 $B$ 示数的变化量 　　（选填"相等"或"不相等" $)$ 。

（5）比较两种实验方案，改进后的优点是 　　（多选）

A．	$A.$ 测力计 $A$ 的示数就是物体所受浮力的大小
B．	$B.$ 实验器材生活化，测力计固定、示数更稳定
C．	$C.$ 能同步观察测力计 $A$ 、 $B$ 示数的变化

如图是"探究阿基米德原理"的实验，其步骤如下：

（1）如图甲所示，用弹簧测力计测出一满袋水的重力为 $2N$ （不计袋子厚度和重力）；

（2）乙图，将水袋浸入水中，静止时弹簧测力计示数为 $1.2N$ ，此时水袋所受浮力为 　　 $N$ ；

（3）丙图，继续让水袋下沉，但未浸没，水袋所受浮力 　　（选填"变小"、"不变"或"变大" $)$ ；

（4）丁图，水袋浸没在水中，静止时弹簧测力计示数为 $0N$ 。由此 　　（选填"能"或"不能" $)$ 得到结论：此时水袋受到的浮力等于它排开水所受到的重力；

（5）设丙图中水袋受到的浮力为 $F_{浮}$ ，排开水所受到的重力为 $G_{排}$ ，则 $F_{浮}$ 　　 $G_{排}$ （选填" $=$ "或" $\ne$ " $)$ 。

某物理兴趣小组探究在不使用天平、量筒的情况下测量合金块和液体密度的方法，并进行了以下实验：

第一步：如图甲所示，用弹簧测力计测量合金块所受的重力，其示数为 $4N$ ；

第二步：如图乙所示，将该合金块浸没在水中，静止时弹簧测力计示数为 $3N$ ；

第三步：将该合金块从水中取出并擦干，再浸没到如图丙所示的待测液体中，静止时弹簧测力计示数如图丁所示。

根据以上实验，请回答下列问题：

（1）使用弹簧测力计测量前，应观察它的指针是否 　　，若没有，则进行调整；

（2）该合金块浸没在水中时受到的浮力为 　　 $N$ ；

（3）该合金块的密度为 　　 $\mathit{kg}/m^3$ ；

（4）图丁中弹簧测力计读数是 　　 $N$ ，待测液体的密度是 　　 $\mathit{kg}/m^3$ 。

端午节家庭聚会后，小鹏的父亲将喝剩的白酒交给他，要他利用所学的物理知识测出白酒的密度。家中没有量筒，只找到了一个弹簧测力计和一个废旧的铁块，于是他在两只玻璃杯中分别装入水和白酒，进行了如下操作：

①将铁块悬挂在弹簧测力计下方，读出测力计的示数F ₁，如图甲所示；

②把铁块浸没在水中，读出测力计示数F ₂；

③把铁块浸在白酒中，读出测力计示数F ₃。请你回答下列问题：

（1）弹簧测力计示数F ₁＝ 　     　N；

（2）图中他有操作错误的是图 　     　（选填"甲"、"乙"、"丙"），请指出错误之处 　     　；

（3）更正错误操作后，测力计的示数变成F ₄，请你帮小鹏推导出白酒密度的表达式ρ _酒＝ 　     　。（用字母符号表示，水的密度为ρ _水）

某物理兴趣小组在"探究浮力的大小与哪些因素有关"时，做了如图甲所示实验，图中底面积为50cm ²的圆柱形容器放在水平桌面上，容器内盛有适量的水，底面积为25cm ²的实心圆柱形物体A用轻质细线悬挂在弹簧测力计下端。图乙为物体A缓慢下移过程中，弹簧测力计示数F与物体A下表面浸入深度h的关系图象。（实验过程中容器内水足够深且不会溢出，物体A不会接触到容器底部，ρ _水＝1.0×10 ³kg/m ³，g＝10N/kg）

（1）图甲中弹簧测力计示数F为 　     　N；

（2）物体A位于h＝10cm时，向水里加入适量的食盐并搅拌，稳定后发现弹簧测力计的示数F变小，说明浮力的大小与液体的密度 　     　（选填"有关"或"无关"）；

（3）利用图乙数据，可求出物体A的密度为 　     　kg/m ³；

（4）h从0增到10cm时，水对容器底部的压强增大了 　     　Pa。

如图所示是某物理兴趣小组验证“阿基米德原理”的实验操作过程示意图。

（1）验证阿基米德原理实验的合理顺序是 　                　。（填字母代号）

（2）金属块浸入溢杯前，溢杯里水面高度应 　                　。

（3）金属块浸没在水中时，受到的浮力是 　                　N。

（4）金属块的密度为 　                　kg/m³。（g取10N/kg，ρ_水＝1.0×10³kg/m³）

（5）比较 　                　（填字母代号）和 　                　（填字母代号）的操作可得出结论：浸入液体中的物体所受的浮力大小等于物体排开液体所受重力的大小。

小明学习了阿基米德原理后，和物理兴趣小组的同学们利用图中的弹簧测力计、体积约为 $10c{m}^3$ 的实心金属块、细线、大烧杯、小桶、小垫块和水等器材，设计实验验证阿基米德原理。

（1）小明他们首先向老师汇报了自己的实验思路：

①用弹簧测力计分别测出空桶和金属块的重力为 $G_1$ 和 $G_2$ ；

②把大烧杯用小垫块垫起，使右边的溢水口斜向下，在大烧杯中 　　水，过会儿把小桶放在大烧杯的溢水口下方；

③用弹簧测力计吊着金属块使其浸没到大烧杯的水中，记下弹簧测力计示数为 $F_1$ ；

④待大烧杯中的水不再溢出时，用弹簧测力计测出溢出的水和小桶的总重力为 $F_2$ 。

若满足 　　（用所测物理量符号表示）等式成立就可以验证阿基米德原理。

（2）老师肯定了他们的实验思路，但提醒他们利用现有实验器材将无法完成实验，请你帮他们分析无法完成实验的原因是： 　　。

（3）小明他们更换相关器材，顺利完成了实验，实验后小组成员又进行了交流，要验证阿基米德原理，金属块 　　（选填"一定"或"不一定" $)$ 要浸没在水中。

如图是“利用杠杆测量石块密度”的实验。 $\left({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

（1）在实验前，杠杆静止在图甲所示的位置，此时杠杆处于　     　（选填“平衡”或“不平衡”）状态；要使杠杆在水平位置平衡，应将平衡螺母向　     　调节，这样做的目的是　       　，并消除杠杆自重对实验的影响。

（2）在溢水杯中装满水，如图乙所示，将石块缓慢浸没在水中，让溢出的水流入小桶 $A$中，此时小桶 $A$中水的体积　       　石块的体积。

（3）将石块从溢水杯中取出，擦干后放入另一相同小桶 $B$中，将装有水和石块的 $A$、 $B$两个小桶分别挂在调好的杠杆两端，移动小桶在杠杆上的位置，直到杠杆在水平位置回复平衡，如图丙所示。此时小桶 $A$、 $B$的悬挂点距支点 $O$分别为 $13\mathit{cm}$和 $5\mathit{cm}$，若不考虑小桶重力，则石块密度的测量值为　      　 $\mathit{kg}/m^3$；若考虑小桶重力，石块的实际密度将比上述测量值　       　。

小明同学在探究浮力的实验中：

（1）如图甲，把半径为 $3\mathit{cm}$、密度均匀的实心小球 $A$用细线挂在弹簧测力计上，测得其重力为　　 $N$，他用手竖直向上轻轻托起小球，弹簧测力计示数将变　　。

（2）他又将小球 $A$缓慢放入盛有适量水的烧杯中，弹簧测力计的示数逐渐变小，说明小球受浮力作用且浮力的方向是竖直向　　，当小球顶部距水面 $7\mathit{cm}$时，弹簧测力计示数为 $1.9N$，如图乙，小球受到的浮力大小是　　 $N$。

（3）为进一步研究浮力产生的原因，小明自制了薄壁实验箱，左右分别是柱形箱 $B$和 $C$， $B$箱下部有一圆孔与 $C$箱相通，他将上下表面是橡皮膜的透明空心立方体 $M$放在圆孔上紧密接触，并向 $B$箱中加入适量的水使 $M$浸没且沉在箱底，如图丙。现往 $C$箱加水至与 $M$下表面相平时， $M$下表面橡皮膜　　（选填“受到”或“不受” $)$水的压力作用；继续向 $C$箱中加水至 $M$上下表面橡皮膜形变程度相同时，则 $M$上下表面受到水的压力　　（选填“相等”或“不相等” $)$；再向 $C$箱中加一定量的水， $M$上下表面形变程度如图丁，则下表面受到水的压力　　（选填“大于”“小于”或“等于” $)$上表面受到水的压力。这就是浮力产生的真正原因。

（4）同组小斌同学根据第（2）小题中小球受到的浮力大小和第（3）小题探究浮力产生的原因巧妙地计算出图乙中小球 $A$受到水对它向下的压力是　　 $N$．（圆面积公式 $S=\pi r^2$，取 $\pi =3)$

为何漂浮在水面上的竹筷一般都是横躺着而不是竖直的？这一现象引起了小科的思考。

【思考】漂浮在水面上的竹筷只受到重力和浮力的作用，因为它们是一对　　力，所以竹筷应该能够竖直地静止在水面上，但事实并不如此。

【实验】小科以内含金属块的中空细塑料管模拟竹筷进行实验探究。如图所示，把一个质量适当的金属块，固定在一根底端封闭的中空细塑料管内的不同位置后，分别轻轻地竖直放在水和浓盐水中，观察它是否始终保持竖直。观察到的实验现象如表：

	$a$	$b$	$c$	$d$
水	不能	不能	能	能
浓盐水	不能	不能	不能	能

【分析】（1）把金属块和塑料管视为一个物体，金属块位置的改变，会改变物体的　　位置。相同条件下，这一位置越低，细管在液体中能竖直漂浮的可能性越大。

（2）分析金属块固定在 $c$点时，细管放入水和浓盐水中时的实验现象可知，相同条件下，浮力作用点的位置相对细管底端越　　（填“高”或“低” $)$，细管在液体中能竖直漂浮的可能性越大。

其实，上述实验现象还需要用杠杆、能的转化等知识来解释，有待于继续研究 $\dots$

为何漂浮在水面上的竹筷一般都是横躺着而不是竖直的？这一现象引起了小科的思考。

【思考】漂浮在水面上的竹筷只受到重力和浮力的作用，因为它们是一对　　力，所以竹筷应该能够竖直地静止在水面上，但事实并不如此。

【实验】小科以内含金属块的中空细塑料管模拟竹筷进行实验探究。如图所示，把一个质量适当的金属块，固定在一根底端封闭的中空细塑料管内的不同位置后，分别轻轻地竖直放在水和浓盐水中，观察它是否始终保持竖直。观察到的实验现象如表：

	$a$	$b$	$c$	$d$
水	不能	不能	能	能
浓盐水	不能	不能	不能	能

【分析】（1）把金属块和塑料管视为一个物体，金属块位置的改变，会改变物体的　　位置。相同条件下，这一位置越低，细管在液体中能竖直漂浮的可能性越大。

（2）分析金属块固定在 $c$点时，细管放入水和浓盐水中时的实验现象可知，相同条件下，浮力作用点的位置相对细管底端越　　（填“高”或“低” $)$，细管在液体中能竖直漂浮的可能性越大。

其实，上述实验现象还需要用杠杆、能的转化等知识来解释，有待于继续研究 $\dots$

如图甲所示，用钢丝绳将一个实心圆柱形混凝土构件从河里以 $0.05m/s$的速度竖直向上匀速提起，图乙是钢丝绳的拉力 $F$随时间 $t$变化的图象，整个提起过程用时 $100s$，已知河水密度为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，混凝土的密度为 $2.8\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，钢铁的密度为 $7.9\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$，不计河水的阻力，求：

（1） $0-60s$内混凝土构件在河水里上升的高度；

（2）开始提起 $(t=0)$时混凝土构件上表面受到水的压强（不计大气压）；

（3） $0-60s$内钢丝绳拉力所做的功；

（4）通过计算说明，此构件的组成是纯混凝土，还是混凝土中带有钢铁骨架？

小陈同学在老师的指导下完成了以下实验：

①用弹簧测力计测出一个带盖子的空玻璃瓶的重力，如图甲所示；

②用手拿着这个盖紧瓶盖的空玻璃瓶浸没在水中，放手后发现玻璃瓶上浮；

③将一个铁块装入玻璃瓶并盖紧盖子，放入水中放手后发现玻璃瓶下沉；

④取出玻璃瓶并擦干瓶上的水，挂在弹簧测力计上，保持玻璃瓶竖直，然后从图乙所示位置慢慢浸入水中，并根据实验数据绘制了弹簧测力计的示数 $F$与玻璃瓶下表面浸入水中深度 $h$的关系图象如图丙所示。

（1）装有铁块的玻璃瓶全部浸没在水中时受到的浮力是　　 $N$。

（2） $\mathit{BC}$段说明物体受到的浮力大小与浸没的深度　　（选填“有关”、“无关）。

（3）在第②操作步骤中空玻璃瓶浸没在水中时受到的浮力为　　 $N$。

（4）小陈认真分析以上实验数据和现象后发现，物体的沉浮与物体的重力和所受浮力有关，其中上浮的条件是　　。

（5）若圆柱形容器的底面积为 $100c{m}^2$，在乙图中，当玻璃瓶浸没后，水又对容器底的压强增加了　　 $\mathit{Pa}$。

（6）细心的小陈同学发现玻璃瓶上还标有 $100\mathit{mL}$的字样，于是在装有铁块的玻璃瓶内装满水并盖上瓶盖，再用弹簧测力计测出总重力，如图丁所示，此时弹簧测力计示数为 $3.1N$，根据以上数据他算出了铁块的密度为　　 $\mathit{kg}/m^3$。

小冬学习了“认识浮力”后，爱动脑筋的小冬提出了问题：浸在液体中的物体受到浮力的大小与哪些因素有关呢？经过思考，他在学校实验室找来了弹簧测力计、烧杯、一个金属块、水和盐水等器材，设计并进行了如图探究实验。

（1）金属块在图 $C$中受到的浮力为　　 $N$。

（2）分析 $B$、 $C$两图知道：当金属块浸没入水中后，所受浮力的大小与它浸入水的深度　　（选填“有关”或“无关” $)$。因为此时金属块浸入水的　　没有发生变化。

（3）小冬　　（选填“能”或“不能” $)$利用图 $A$和 $D$探究浮力的大小与液体密度有关，理由是　　。

（4）综合上述实验得到的结论是：浸在液体中的物体受到浮力的大小与　　和　　有关。

（5）根据收集到的实验数据，小冬还计算出了金属块的密度为　　 $\mathit{kg}/m^3$． $(g=10N/\mathit{kg})$。