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第五单元 浮力
第13课时 密度、压强、浮力的综合计算
方法指导 密度、压强、浮力综合问题的解题思路
1. 【读懂题干】认真仔细读题,读题后总结关键过程,并用字母表示出所求量和已有条件。
2. 【关键点(受力、图像等)分析】对物体的状态进行分析,并结合关键点(受力、图像等),全面了解物体的状态。
3. 【倒推思维】由相关公式,准确写出所求量向已有条件推导的逐步求解过程和公式。
例1 “李白乘舟将欲行,忽闻岸上踏歌声。”如图所示,是李白诗歌
《赠汪伦》中的情景。此时船停在水面,李白站立在船上。假设李白重
600N,双脚与船接触面积为0.04m2,船和船上的人总重5200N。试求:
(水的密度为1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
(1)李白双脚对船的压强。
解:(1)李白对船的压力:F=G人=600N,李白双脚
对船的压强:p===1.5×104Pa。
解:(1)李白对船的压力:F=G人=600N,
李白双脚对船的压强:p=
=1.5×104Pa。
(2)此时船漂浮在水中受到的浮力。
解:(2)根据物体的浮沉条件可知,船漂浮在水中受到
解:(2)根据物体的浮沉条件可知,船漂浮
在水中受到的浮力:F浮=G总=5200N。
例1 “李白乘舟将欲行,忽闻岸上踏歌声。”如图所示,是李白诗歌
《赠汪伦》中的情景。此时船停在水面,李白站立在船上。假设李白重
600N,双脚与船接触面积为0.04m2,船和船上的人总重5200N。试求:
(水的密度为1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
(3)此时船浸在水中的体积。
解:(3)由F浮=G排=ρ液gV排可知,
船浸在水中的体积:V浸=V排=
==0.52m3。
例1 “李白乘舟将欲行,忽闻岸上踏歌声。”如图所示,是李白诗歌
《赠汪伦》中的情景。此时船停在水面,李白站立在船上。假设李白重
600N,双脚与船接触面积为0.04m2,船和船上的人总重5200N。试求:
(水的密度为1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
例2 如图所示,我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇顺利升空至海
拔9032m高度后悬浮,通过搭载的各种探测仪器展开垂直观测,创造了浮
空艇大气科学观测的世界纪录。该浮空艇的体积约为9000m3,总质量约
为2.6t。g取10N/kg,通过计算回答:
(1)浮空艇悬浮在高空中,受到的浮力是多少?
解:(1)根据物体的浮沉条件可知,浮空艇
悬浮在高空中,受到的浮力:
F浮=G=mg=2.6×103kg×10N/kg=2.6×104N。
(2)9032m高空处空气的密度约是多少?
解:(2)浮空艇悬浮在高空中,排开空气的体积等于
浮空艇自身的体积,由F浮=G排=ρ气gV排可知,0.29kg/m3。
解:(2)浮空艇悬浮在高空中,排开空气的体积等
于浮空艇自身的体积,由F浮=G排=ρ气gV排可知,空气的密度:
ρ气==≈0.29kg/m3。
例2 如图所示,我国自主研发的“极目一号”Ⅲ型浮空艇顺利升空至海
拔9032m高度后悬浮,通过搭载的各种探测仪器展开垂直观测,创造了浮
空艇大气科学观测的世界纪录。该浮空艇的体积约为9000m3,总质量约
为2.6t。g取10N/kg,通过计算回答:
例3 取两个相同的溢水杯,都装满水,将一块橡皮泥捏成碗状放在其中
一个溢水杯中(如图甲),静止后用量筒测出溢出的水的体积为55mL;
拿出该橡皮泥碗团成实心球状,放入另一个溢水杯中(如图乙),静止
后用量筒测出溢出的水的体积为50mL,g取10N/kg,ρ水= 1.0×103kg/m3
求:(1)图甲中橡皮泥受到的浮力。
解:(1)图甲中橡皮泥受到的浮力:
F浮=G排=ρ水 gV排甲=1.0×103kg/m3×
10N/kg×55×10-6m3=0.55N。
例3 取两个相同的溢水杯,都装满水,将一块橡皮泥捏成碗状放在其中一个溢水杯中(如图甲),静止后用量筒测出溢出的水的体积为55mL;拿出该橡皮泥碗团成实心球状,放入另一个溢水杯中(如图乙),静止后用量筒测出溢出的水的体积为50mL,g取10N/kg,ρ水= 1.0×103kg/m3求:
(2)橡皮泥的密度。
(2)图甲中橡皮泥漂浮,所受重力:G=F浮= 0.55N,图乙中橡皮泥沉底,橡皮泥的体积:V=V排乙= 50mL=50cm3,橡皮泥的质量:m==0.055kg= 55g,橡皮泥的密度:ρ==1.1g/cm3。
解:(3)图乙中橡皮泥受到的浮力:F浮'=ρ水gV排乙=
1.0×103kg/m3×10N/kg×50×10-6m3=0.5N,图乙中
橡皮泥对溢水杯底部的压力大小:F压=F支=G-F浮'=
0.55N-0.5N=0.05N。
解:(3)图乙中橡皮泥受到的浮力:F浮'=ρ水gV排乙
=1.0×103kg/m3×10N/kg×50×10-6m3=0.5N,
图乙中橡皮泥对溢水杯底部的压力大小:
F压=F支=G-F浮'=0.55N-0.5N=0.05N。
例3 取两个相同的溢水杯,都装满水,将一块橡皮泥捏成碗状放在其中
一个溢水杯中(如图甲),静止后用量筒测出溢出的水的体积为55mL;
拿出该橡皮泥碗团成实心球状,放入另一个溢水杯中(如图乙),静止
后用量筒测出溢出的水的体积为50mL,g取10N/kg,ρ水= 1.0×103kg/m3
求:(3)图乙中橡皮泥对溢水杯底部的压力大小。
例4 如图甲所示,底面积为100cm2,高为20cm的物块A漂浮在水面上,恰好有一半体积浸入水中。求:(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
3.【倒推思维】
GA F浮 V排 VA
(1)物块A的重力GA。
1.【读懂题干】
所求量:GA
已有条件:漂浮(浸入一半)、VA、ρ水
2.【受力分析】
解:物块A的体积:
VA=100cm2×20cm=2000cm3;
物块A排开水的体积:V排=VA= ×2000cm3=1000cm3=1×10-3m3,物块A所受的浮力:
F浮=ρ水gV排=1.0×103kg/m3×10N/kg×1×
10-3m3= 10N;物块A漂浮,所受重力:
GA=F浮=10N。
例4 如图甲所示,底面积为100cm2,高为20cm的物块A漂浮在水面上,恰好有一半体积浸入水中。求:(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
(2)图乙中将一体积为500cm3的物块B放在物块
A上,物块A恰好浸没于水中,求物块B的密度。
1.【读懂题干】
所求量:ρB
已有条件:A恰好浸没、VB、ρ水、VA、GA
2.【受力分析】
GA
F浮A
FB
GAB
F浮A
3.【倒推思维】
ρB mB GB GAB
F浮' V排'→VA
1.【读懂题干】
所求量:ρB
已有条件:A恰好浸没、VB、ρ水、VA、GA
2.【受力分析】
GA
F浮A
FB
GAB
F浮A
3.【倒推思维】
ρB mB GB GAB
F浮' V排'→VA
解:物块A恰好浸没于水中,排开水的体积:V排'=VA=2000cm3=2×10-3m3,
AB所受的浮力:F浮'=ρ水gV排'=1.0×
103kg/m3×10N/kg×2×10-3m3=20N;
物块AB漂浮,所受重力:GAB=F浮'=20N;物块B的重力:GB=GAB-GA=20N-10N=10N;由G=mg得,B的质量:mB===1kg,B的密度:
ρ===2×103kg/m3。
例4 如图甲所示,底面积为100cm2,高为20cm的物块A漂浮在水面上,恰好有一半体积浸入水中。求:(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
(3)物块C与物块B为同种物质,将物块C用细线与物块
A相连后放入水中(细线的体积忽略不计),物块A也恰
好浸没于水中,如图丙所示。求物块C的体积。
1.【读懂题干】
所求量:VC
已有条件:A、C整体恰好浸没、ρ水、VA、GA、ρC
2.【受力分析】
GA
F浮A
FC
GAC
F浮AC
F浮C
GC
FA
3.【倒推思维】
VC F浮C→F浮AC GAC
1.【读懂题干】
所求量:VC
已有条件:A、C整体恰好浸没、ρ水、VA、GA、ρC
2.【受力分析】
GA
F浮A
FC
GAC
F浮AC
F浮C
GC
FA
3.【倒推思维】
VC F浮C→F浮AC GAC
解:在图丙中,根据二力平衡可知GAC=F浮″,
即:GA+ρgVC=ρ水gV排″
代入数据得:10N+2×103kg/m3×
10N/kg×VC=1.0×103kg/m3× 10N/kg×(2×10-3m3+VC);
解得:VC=1×10-3m3。
1.【读懂题干】
所求量:G、F浮、V、ρ
已有条件:出水、F-h图像、ρ水
2.【图像受力分析】
例5 如图甲所示,底面积为20cm2的柱形容器放在水平地面上,将一圆柱体挂在弹簧测力计下端,并将其完全浸没在水中,在将圆柱体缓慢拉出水面的过程中,弹簧测力计示数随圆柱体上升距离的变化情况如图乙所示。求:(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
(1)圆柱体所受的重力。(2)圆柱体完全浸没时所受的浮力。
(3)圆柱体的体积。(4)圆柱体的密度。
3.【倒推思维】
G F3,F浮 F1,
V F浮,ρ V
1.【读懂题干】
所求量:G、F浮、V、ρ
已有条件:出水、F-h图像、ρ水
2.【图像受力分析】
3.【倒推思维】
G F3,F浮 F1,
V F浮,ρ V
解:(1)由图乙可知,0~10cm圆柱体完全浸没在水中,10~20cm表示圆柱体上表面离开水面至下表面离开水面,圆柱体所受的重力:G=F3=2.0N。
(2)圆柱体浸没时弹簧测力计的示数
F1=1.6N,圆柱体浸没时所受的浮力:
F浮=G-F1=2.0N-1.6N=0.4N。
(1)圆柱体所受的重力。
(2)圆柱体完全浸没时所受的浮力。
1.【读懂题干】
所求量:G、F浮、V、ρ
已有条件:出水、F-h图像、ρ水
2.【图像受力分析】
3.【倒推思维】
G F3,F浮 F1,
V F浮,ρ V
解:(3)因为物体浸没时排开液体的体积和自身的体积相等,所以,由F浮=G排=ρ水gV排可得圆柱体的体积:V=V排===4×10-5m3。
(4)由G=mg得,圆柱体的质量:
m===0.2kg,则圆柱体的密度:
ρ===5×103kg/m3。
(3)圆柱体的体积。(4)圆柱体的密度。
例5 如图甲所示,底面积为20cm2的柱形容器放在水平地面上,将一圆柱体挂在弹簧测力计下端,并将其完全浸没在水中,在将圆柱体缓慢拉出水面的过程中,弹簧测力计示数随圆柱体上升距离的变化情况如图乙所示。求:(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
(5)圆柱体完全露出水面后,容器底部受到的液体压强变化量。
1.【读懂题干】
所求量:Δp
已有条件:圆柱体离开水面、F-h图像、S容、ρ水
2.【压强分析】
解法1:利用p=
浸没时:p=
解法2:利用p=ρgΔh
液面下降高度:Δh=
出水后:p=
(5)圆柱体完全露出水面后,容器底部受到的液体压强变化量。
1.【读懂题干】
所求量:Δp
已有条件:圆柱体离开水面、F-h图像、S容、ρ水
2.【压强分析】
解法1:利用p=
浸没时:p=
解法2:利用p=ρgΔh
液面下降高度:Δh=
出水后:p=
解:(5)已知柱形容器的底面积S容=20cm2=2×10-3m2,圆柱体完全露出水面时,容器中水面下降的高度为:Δh===0.02m,所以,圆柱体完全露出水面后,容器底部受到液体压强的变化量为:Δp=ρ水gΔh1.0×103kg/m3×
10N/kg×0.02m=200Pa。
这是解法几?另一种解法应改如何答题呢?
解:物体B静止在容器A底部,受力面积:
SB=(10cm)2=100cm2=0.01m2,
对容器底的压力:F=G=6N,则物体B对容器底部的压强:p ===600Pa。
例6 一个不吸水的正方体物体B棱长为10cm、重为6N,静止在水平放置的平底柱形容器A底部,柱形容器A的底面积为200cm2,如图甲所示;质量不计的细线一端固定在容器底部,另一端固定在物体B底面中央,向容器A中缓慢加水,物体B上浮后停止加水,当物体B静止时如图乙所示(细线处于松弛状态);继续向容器A中缓慢加水,物体B随水上升后细线拉直,当物体B的上表面恰好与水面相平时停止加水,如图丙所示,从图乙到图丙过程中共加水1kg。g取10N/kg,ρ水=1.0×103kg/m3。求:(1)图甲中物体B对容器底的压强。
例6 一个不吸水的正方体物体B棱长为10cm、重为6N,静止在水平放置的平底柱形容器A底部,柱形容器A的底面积为200cm2,如图甲所示;质量不计的细线一端固定在容器底部,另一端固定在物体B底面中央,向容器A中缓慢加水,物体B上浮后停止加水,当物体B静止时如图乙所示(细线处于松弛状态);继续向容器A中缓慢加水,物体B随水上升后细线拉直,当物体B的上表面恰好与水面相平时停止加水,如图丙所示,从图乙到图丙过程中共加水1kg。g取10N/kg,ρ水=1.0×103kg/m3。求:(2)图乙中物体B排开水的体积。
1.【读懂题干】
所求量:V排 已有条件:B漂浮、GB、ρ水
2.【受力分析】
G
F浮
3.【倒推思维】 V排 F浮 GB
例6 一个不吸水的正方体物体B棱长为10cm、重为6N,静止在水平放置的平底柱形容器A底部,柱形容器A的底面积为200cm2,如图甲所示;质量不计的细线一端固定在容器底部,另一端固定在物体B底面中央,向容器A中缓慢加水,物体B上浮后停止加水,当物体B静止时如图乙所示(细线处于松弛状态);继续向容器A中缓慢加水,物体B随水上升后细线拉直,当物体B的上表面恰好与水面相平时停止加水,如图丙所示,从图乙到图丙过程中共加水1kg。g取10N/kg,ρ水=1.0×103kg/m3。求:(2)图乙中物体B排开水的体积。
解:由图乙可知,物体B漂浮,则F浮=G=6N,
根据F浮=G排=ρ液gV排可得,物体B排开水的体
积:V排===6×10-4m3。
G
F浮
例6 一个不吸水的正方体物体B棱长为10cm、重为6N,静止在水平放置的平底柱形容器A底部,柱形容器A的底面积为200cm2,如图甲所示;质量不计的细线一端固定在容器底部,另一端固定在物体B底面中央,向容器A中缓慢加水,物体B上浮后停止加水,当物体B静止时如图乙所示(细线处于松弛状态);继续向容器A中缓慢加水,物体B随水上升后细线拉直,当物体B的上表面恰好与水面相平时停止加水,如图丙所示,从图乙到图丙过程中共加水1kg。g取10N/kg,ρ水=1.0×103kg/m3。求:(3)图丙中细线对物体B的拉力。
解:图丙中,木块完全浸没时受到的浮力:
F浮'=ρ水gV=1.0×103kg/m3×10N/kg×
(0.1m)3=10N,因为物体处于静止状态,所以F浮'=G+F拉,
则细线对物体B的拉力:F拉=F浮'-G=10N-6N=4N。
G
F浮
F拉
例6 一个不吸水的正方体物体B棱长为10cm、重为6N,静止在水平放置的平底柱形容器A底部,柱形容器A的底面积为200cm2,如图甲所示;质量不计的细线一端固定在容器底部,另一端固定在物体B底面中央,向容器A中缓慢加水,物体B上浮后停止加水,当物体B静止时如图乙所示(细线处于松弛状态);继续向容器A中缓慢加水,物体B随水上升后细线拉直,当物体B的上表面恰好与水面相平时停止加水,如图丙所示,从图乙到图丙过程中共加水1kg。g取10N/kg,ρ水=1.0×103kg/m3。求:(4)从图乙到图丙过程中水对容器底部压强的变化量。
1.【读懂题干】
所求量:Δp
已有条件:加水1kg、B恰好浸没、S容、lB、GB、ρ水
(4)从图乙到图丙过程中水对容器底部压强的变化量。
1.【读懂题干】
所求量:Δp
已有条件:加水1kg、B恰好浸没、S容、lB、GB、ρ水
2.【液面分析】
h1:物体上升的高度,即200cm2液面上升的高度
h2:液面相对于物体上升的高度
3.【倒推思维】
h2 lB,
h1 V1 V2(浸没加水体积)
解:图乙中物体B浸入水中的体积:
V浸=V排=6×10-4m3=600cm3,
物体B浸入水中的长度:l浸==6cm,
则液面相对于物体上升的高度:
h2=lB-l浸=10cm-6cm=4cm;
此高度截面中水的体积:V2=(S容-SB)h2=(200cm2-100cm2)×4cm=400cm3
(4)从图乙到图丙过程中水对容器底部压强的变化量。
1.【读懂题干】
所求量:Δp
已有条件:加水1kg、B恰好浸没、S容、lB、GB、ρ水
2.【液面分析】
h1:物体上升的高度,即200cm2液面上升的高度
h2:液面相对于物体上升的高度
3.【倒推思维】
h2 lB,
h1 V1 V2(浸没加水体积)
从图乙到图丙过程中加水的体积:V水=
=10-3m3=1000cm3,所以物体上升的高度:h1===3cm;从图乙到图丙过程中水对容器底部压强的变化量:Δp=ρ水gh=ρ水g(h1+h2)=1.0×103kg/m3×
10N/kg×(0.04m+0.03m)=700Pa。
解:图乙中物体B浸入水中的体积:V浸=V排=6×10-4m3=600cm3,
物体B浸入水中的长度:l浸==6cm,
则液面相对于物体上升的高度:h2=lB-l浸=10cm-6cm=4cm;
此高度截面中水的体积:V2=(S容-SB)h2=(200cm2-100cm2)×4cm=400cm3