初中物理阿基米德原理的应用实验题

李华利用生活中常见物品巧妙地测出一石块的密度，实验过程如下：

$A$．取一根筷子，用细线将其悬挂，调节悬挂位置，直至筷子水平平衡，悬挂位置记为 $O$点，如图甲所示；

$B$．将矿泉水瓶剪成烧杯形状，倾斜固定放置，在瓶中装水至溢水口处，用细线系紧石块，将石块缓慢浸入水中，溢出的水全部装入轻质塑料袋中，如图乙所示；

$C$．取出石块，擦干水分；将装水的塑料袋和石块分别挂于筷子上 $O$点两侧，移动悬挂位置使筷子仍水平平衡，用刻度尺分别测出 $O$点到两悬挂点的距离 $l_1$和 $l_2$，如图丙所示。

（1）已知水的密度为 ${\rho }_{水}$，则石块密度 ${\rho }_{石}=$　         　（用字母 ${\rho }_{水}$和所测得的物理量表示）；

（2）采用上述实验方法，筷子粗细不均匀对实验结果　        　（选填“有”或“无”）影响；

（3）图乙所示步骤中，若瓶中的水未装至溢水口，实验结果将　       　（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）。

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 $\pi =3)$

如图所示，物理兴趣小组用金属块研究浮力的实验。

（1）金属块浸没在水中时，受到的浮力是　       　 $N$。

（2）比较　      　（填字母代号）三图可得出结论：金属块受到的浮力大小与其排开液体的体积有关。

（3）比较　       　（填字母代号）三图可得出结论：金属块受到的浮力大小与其浸没在液体中的深度无关。

（4）金属块的密度为　        　 $\mathit{kg}/m^3$。

（5）在实验中，排除测量误差因素的影响，兴趣小组发现金属块排开水的重力明显小于所受的浮力，请指出实验操作中可能造成这种结果的原因：　       　。

（6）纠正了错误，继续实验，兴趣小组得出结论：物体所受浮力的大小等于它排开液体所受的重力。有同学对此结论提出质疑，他认为仅采用浸没的金属块做实验不具备普遍性，使用漂浮的蜡块做实验未必遵循以上结论。针对这个质疑，实验室提供了如下器材：弹簧测力计、蜡块、细线、量筒、烧杯、小木块、小桶、轻质塑料袋（质量可忽略）、适量的水。请你根据需要选择器材并设计实验，研究使用漂浮的蜡块做实验是否遵循兴趣小组所得出的结论。

实验器材：　                                     　；

实验步骤：　                                     　；

分析与论证：　                                   　。

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" $\ne$ " $)$ 。

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 $\dots$

已知水的密度为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，某兴趣小组用一薄壁量杯（杯壁体积忽略不计）制作了一个测量液体密度的简易装置，操作如下：

（1）在量杯内装入适量细沙后放入水中，量杯在水中竖直静止时，如图甲所示。此时量杯浸入水中的体积为　       　 $\mathit{mL}$；

（2）将该装置放入某液体中，静止时如图乙所示，则该液体的密度为　     　 $\mathit{kg}/m^3$；某同学将一小石子放入量杯，静止时如图丙所示，则小石子质量是　      　 $g$。

小明运用浮力相关知识制作了可以用来测量物体质量的“浮力称”，其构造如图所示，在水平支架的左端固定刻度盘，支架横梁两端各固定个滑轮，将一根无弹性的细绳跨过两个滑轮，细线的一端悬挂秤盘，另一端连接装有适量细沙的圆柱形浮筒（浮筒自重不计），在线的适当位置固定一根大头针作为指针，把浮筒浸入装有适量水的水槽中，称量时，把待测物体放入秤盘后，指针下降浮筒上升，静止后，待测物体的质量就可以通过指针在刻度盘上的位置反映出来。

请你回答下列问题（不计细线、秤盘、指针的质量以及线与滑轮的摩擦）

（1）为了制作量程为1kg的浮力称，向秤盘添加1kg的砝码，逐渐向空浮筒内加入细沙，当浮筒的　　（选填“上”或“下“）表面刚好与水面齐平并保持静止时，在刻度盘上将指针所指的位置标定为最大刻度线。

（2）取下砝码，当浮筒受到　　力和　　力是一对平衡力时，浮筒能直立地浮在水面上静止，此刻度所指的位置应标定为零刻度线，在均匀地标定其余刻度线。

（3）若将质量为m（m＜1kg）的待测物体放在秤盘上，当浮筒静止时其下表面距离水面的距离是h，若细沙的质量是M，浮筒的横截面积是S，水的密度为ρ水，则待测物体质量的表达式m＝　　。

（4）若将原来的浮筒更换为长度相同、横截面积更小的另一个浮筒，细沙的质量和细线的长度等不变，则重新标定的刻度线与原来刻度线相比发生变化的是　　（选填“零刻度线上升”或“最大刻度线下降“），请你分析带来这一变化的原因是：　　。

如图是生活中常用的小茶杯，请你在下列器材中选择合理的器材，利用浮力等相关知识设计一个测量小茶杯密度的实验。

备选器材：若干个量筒、溢水杯和烧杯，记号笔、足量水（小茶杯可以放入溢水杯、烧杯，但放不进量筒）

要求：

（1）简述实验步骤（如需将小茶杯放入水中，请明确表述小茶杯放入水中的具体操作）：用符号表示有关的物理量。

（2）利用测出的物理量写出小茶杯密度的表达式。（水的密度用 ${\rho }_{水}$表示）

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？

在学习浮力的相关知识时，小军对影响浮力大小的因素产生了浓厚的兴趣。

（1）小军记起自己在游泳池里从浅水区走向深水区时，会感觉到身体越来越轻。由此他想：浮力的大小与物体浸入水中的体积有什么关系呢？

于是，他按图甲所示的方法，将物体浸入水中，并不断改变物体浸入水中的体积。观察弹簧测力计示数的变化。记录的实验数据如表一所示。

表一

物体浸入水中的体积	$\frac{1}{5}V$	$\frac{2}{5}V$	$\frac{3}{5}V$	$\frac{4}{5}V$	$V$
弹簧测力计的示数 $/N$	3.4	2.9	2.3	1.8	1.2

分析表一中的实验数据，小军得出的结论是：物体浸入水中的体积越大，受到的浮力　　（选填“越小”、“越大”或“不变” $)$。

（2）小军又联想到“死海不死”的传说 $---$人在死海中即使不会游泳也沉不下去。就想：浮力的大小一定还与液体的密度有关！

为了证实自己的想法，小军先把鸡蛋放入清水中，发现鸡蛋沉入水底；然后缓缓向水中加盐并不断地搅拌，随着盐水越来越浓，发现鸡蛋竟然能浮在液面上！

这个简易实验说明，小军关于浮力的大小与液体的密度有关的猜想是　　 $($ “正确”、“错误”或“不确定” $)$的。

（3）小军结合密度和重力的知识，对前面两个实验的结论进行了深入思考后，认为浮力的大小应该与物体排开的液体所受重力的大小有更直接的关系。

为了找到浮力的大小与物体排开的液体所受重力的大小之间的关系，他又利用水和石块进行了图乙所示的实验。相关实验数据的记录如表二所示。

表二

石块重 $G_{石}/N$	空杯重 $G_{杯}/N$	石块浸没在水中时弹簧测力计的示数 $F/N$	杯和水的总重 $G_{总}/N$	石块浸没在水中时受到的浮力 $F_{\mathit{杯浮}}/N$	石块排开水所受的重力 $G_{重}/N$
2.0	1.0	1.4	1.6

请你帮小军完成表二

（4）分析表二的实验数据得出的结论是：石块受到的浮力的大小与它排开水所受重力的大小　　。

（5）为了更全面地总结出浮力的大小跟物体排开液体所受重力的大小之间的关系，接下来小军还要　　。

安安和康康在实验室里发现了一个可爱的卡通小玩偶，如图甲所示．他们选择不同的方法测量它的密度．

（1）康康用天平（砝码）、量筒、细线和水测量小玩偶的密度．

①当天平右盘所加砝码和游码位置如图乙所示时，天平在水平位置平衡，则小玩偶的质量为　　 $g$；

②在量筒中装有适量的水，小玩偶放入量筒前后水面变化的情况如图丙所示，则小玩偶的体积为　　 $c{m}^3$；

③小玩偶的密度为　　 $\mathit{kg}/m^3$．

（2）安安利用弹簧则力计、烧杯，细线和水，用另一种方法量小玩偶的密度，如图丁所示，她进行了如下操作

$:$

①在弹簧测力计下悬挂小玩偶，弹簧测力计静止时示数为 $F_G$．

②将小玩偶浸没水中，静止时读出弹簧测力计示数为 $F_1$，她用 $F_G$、 $F_1$和 ${\rho }_{水}$，计算出小玩偶的密度，如若小玩偶未完全浸入水中，那么安安所测得的小玩偶密度将会偏　　（选填“大”或“小” $)$．

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　　 $\mathit{kg}/m^3$。

开原以盛产大蒜闻名，小越想知道开原大蒜的密度，他将一些蒜瓣带到学校测量。

（1）他将天平放在水平桌面上，把游码放到标尺左端零刻度线处，指针静止时指在分度盘右侧，他应向　　（填“左”或“右” $)$调节平衡螺母，使天平平衡。

（2）小越测得一个蒜瓣的质量如图甲所示为　　 $g$。

（3）他将蒜瓣放入装有 $25\mathit{ml}$水的量筒中，水面上升到图乙所示的位置，蒜瓣的体积为　　 $c{m}^3$，密度为　　 $\mathit{kg}/m^3$。

（4）小越对实验进行评估，觉得蒜瓣太小，测得体积的误差较大，导致测得的密度不准。他设计了下列解决方案，其中合理的是　　（填字母）。

$A$．换量程更大的量筒测量

$B$．测多个蒜瓣的总质量和总体积

$C$．换分度值更大的量筒测量

（5）同组的小爱同学测得一个装饰球 $A$的密度为 ${\rho }_0$，他们想利用它测量一杯橙汁的密度，发现装饰球 $A$在橙汁中漂浮，于是选取了测力计、细线和一个金属块 $B$，设计了如图丙所示的实验过程：

①用测力计测出装饰球 $A$的重力为 $G$；

②将装饰球 $A$和金属块 $B$用细线拴好挂在测力计下，并将金属块 $B$浸没在橙汁中静止，读出测力计的示数为 $F_1$；

③将装饰球 $A$和金属块 $B$都浸没在橙汁中静止（不碰到杯底），读出测力计的示数为 $F_2$．根据②、③两次测力计示数差可知　　（填“装饰球 $A$”或“金属块 $B$” $)$受到的浮力。橙汁密度的表达式 ${\rho }_{\mathit{橙汁}}=$　　（用 ${\rho }_0$和所测物理量字母表示）。

开原以盛产大蒜闻名，小越想知道开原大蒜的密度，他将一些蒜瓣带到学校测量。

（1）他将天平放在水平桌面上，把游码放到标尺左端零刻度线处，指针静止时指在分度盘右侧，他应向　　（填“左”或“右” $)$调节平衡螺母，使天平平衡。

（2）小越测得一个蒜瓣的质量如图甲所示为　　 $g$。

（3）他将蒜瓣放入装有 $25\mathit{ml}$水的量筒中，水面上升到图乙所示的位置，蒜瓣的体积为　　 $c{m}^3$，密度为　　 $\mathit{kg}/m^3$。

（4）小越对实验进行评估，觉得蒜瓣太小，测得体积的误差较大，导致测得的密度不准。他设计了下列解决方案，其中合理的是　　（填字母）。

$A$．换量程更大的量筒测量

$B$．测多个蒜瓣的总质量和总体积

$C$．换分度值更大的量筒测量

（5）同组的小爱同学测得一个装饰球 $A$的密度为 ${\rho }_0$，他们想利用它测量一杯橙汁的密度，发现装饰球 $A$在橙汁中漂浮，于是选取了测力计、细线和一个金属块 $B$，设计了如图丙所示的实验过程：

①用测力计测出装饰球 $A$的重力为 $G$；

②将装饰球 $A$和金属块 $B$用细线拴好挂在测力计下，并将金属块 $B$浸没在橙汁中静止，读出测力计的示数为 $F_1$；

③将装饰球 $A$和金属块 $B$都浸没在橙汁中静止（不碰到杯底），读出测力计的示数为 $F_2$．根据②、③两次测力计示数差可知　　（填“装饰球 $A$”或“金属块 $B$” $)$受到的浮力。橙汁密度的表达式 ${\rho }_{\mathit{橙汁}}=$　　（用 ${\rho }_0$和所测物理量字母表示）。