5 跨学科实践：潜艇
潜艇的沉与浮
1．潜艇与鱼儿：潜艇浸没后浮沉取决于自身重力的改变，鱼儿在水中通过鱼鳔改变自身体积，从而改变浮力大小实现浮沉．
2．潜艇在水面时，如果自身重力大于浮力，则会下沉一些，增大排开水中的体积，从而增大浮力，达到新的平衡．同理，在水面上从大海驶入江河，则会下沉一些，达到新的平衡；潜艇浸没在水中时，浮力不变，通过水舱人工的方法排水、吸水，从而调节自身重力，实现浮沉或悬浮．
军用潜艇
军用潜艇是国家海军的战略性武器．潜艇空间分为人员与设备舱和水舱．依靠电力调节水舱内水的多少控制潜艇沉浮和前进，利用声呐、潜望镜、雷达充当“耳朵和眼睛”．
潜艇的沉与浮
典例1 [2024·德城区期中]某潜水艇在海面下隐蔽跟踪某个目标，有时要上浮或下潜，但都未露出水面．若下潜时所受重力为G1，浮力为F1；上浮时所受重力为G2，浮力为F2，则( C )
A．F1＜F2，G1＝G2 B．F1＞F2，G1＝G2
C．F1＝F2，G1＞G2 D．F1＝G1，F2＞G2
在海水里，潜水艇F浮＝ρ海水gV排，在海水密度、排开水的体积不变时，所受浮力不变；但通过吸水、排水改变自身重力，从而改变F浮与G的关系，实现下潜、上浮或悬浮．“让海水进入压力舱”增大自重、“将海水排出压力舱”减小自重，F浮＞G2，潜水艇上浮，F浮＜G1，潜水艇下沉．
变式 “水下断崖”是指海洋中上层海水的密度高，下层海水的密度低的状态：潜艇在航行时如果遇到“水下断崖”会急速“掉深”，带来不可预测的危险．有关这种现象，下列说法正确的是( B )
A．潜艇从高密度海水驶入低密度海水区域时浮力不变
B．“水下断崖”的危险在于潜水艇在驶入低密度海水区域时会急速下沉
C．“水下断崖”的危险在于潜水艇在驶入高密度海水区域时会急速上浮
D．遇到“水下断崖”时，为尽快脱险，需要向潜水艇的水舱内供气排水以增大潜艇浮力
潜艇模型制作比赛
典例2 [2024·济南二模]某同学制作了如图所示的潜水艇模型，下列说法正确的是( B )
典例2图
A．潜水艇没有浮出水面时所受的重力相同
B．潜水艇没有浮出水面时所受的浮力相同
C．向外拉注射器活塞，可实现潜水艇上浮
D．向内推注射器活塞，可实现潜水艇下沉
潜水艇是通过改变自身的重力来实现下潜和上浮的．当潜艇模型浸没在水中时，排开水的体积不变，所受浮力不变；自制潜水艇通过向外拉注射器活塞或向内推注射器活塞时，改变潜水艇自身的重力，实现沉浮．
变式 [2023·涟水二模]在制作潜艇模型比赛中，小温用3个500 mL的矿泉水瓶黏在一起，两个密封的作“生活舱”，一个瓶身开孔的作“工作舱”．矿泉水瓶质量不计，替代潜艇质量的若干金属螺母放在“工作舱”内，通过往“工作舱”向内注水和向外排水实现潜艇的上浮、悬浮和下沉．(ρ水＝1.0×103 kg/m3)
(1)比赛中，小温要让漂浮状态的“潜艇”下沉入水，他应该往“工作舱”向内注水(填“向内注水”和“向外排水”)．
(2)潜艇悬浮时，有小螺母从“工作舱”的小孔中掉落至水底，此时潜艇的浮力不变(填“变大”“变小”或“不变”)．
(3)若金属螺母体积不计，要实现潜艇上浮和下沉，则金属螺母重力的取值范围为10～15_N.
1．[2024·商河一模]如图所示是学校物理小组制作的演示潜水艇原理的模型，通过胶管A向烧瓶吸气，判断烧瓶的浮沉情况以及所受到浮力的变化( C )
第1题图
A．上浮、增大 B．下沉、减少
C．下沉、不变 D．上浮、减小
2．[2024·惠阳期末]潜水艇在国家的国防中占有重要位置，潜水艇的艇壳是用高强度的特种钢板制造，某潜水艇最大下潜深度可达350 m，潜水艇的总质量为9×105 kg，艇内两侧有水舱，其截面如图所示，通过向水舱中充水或从水舱中向外排水来改变潜水艇的自重，从而使其下沉或上浮(g取10 N/kg，ρ海水取1×103 kg/m3)．求：
第2题图
(1)潜水艇是通过水舱中充水(增大自身重力)实现下沉的．
(2)水舱未充海水时，漂浮在海面的潜水艇受到的浮力是9×106N，排开海水的体积是900m3.
(3)潜水艇在水面下匀速下潜的过程中受到海水的浮力不变(填“变大”“不变”或“变小”)．
(4)当潜水艇下潜至最大下潜深度时，受到海水的压强为3.5×106Pa，舱门与海水的接触面积为1.5 m2，此舱门受到海水的压力为5.25×106N．(用科学记数法表示)
3．[2024·西湖区模拟]【设计背景】我国设计的“蛟龙”号潜水艇最大下潜深度达到7 062米，希望同学们也能像我国潜艇设计师一样设计出一艘属于自己的潜水艇！
【产品设计】项目小组利用硬质塑料瓶制作潜水艇，塑料瓶厚度不计，两个舱之间密封不连通，水舱与注射器通过塑料软管相连，移动注射器活塞可以实现潜水器的浮沉，模型如图甲所示．
第3题图
【检验产品】如表所示为该小组制订的量表：
(1)为实验潜水艇的上浮，小组同学的操作是推动活塞，向潜水艇打气，从而排出水舱内的水，实现上浮．
(2)请在表格中填入“合格”的评价内容生活舱和水舱独立分开，生活舱不进水．
(3)如图乙所示，潜水艇完成从B到A上浮的过程，其浮力变化情况是先不变后变小．
(4)已知某小组同学采用的材料总质量0.5 kg，体积650 cm3，现有100 mL和200 mL两种规格的注射器，请通过计算说明应该选择哪种规格的注射器能实现在水中悬浮．
解：要使潜水器实现在水中的悬浮，则浮力应等于潜水器的总重力，该潜水器悬浮时受到的浮力为
F浮＝ρ水gV排＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×650×10－6 m3＝6.5 N，
材料的总质量为0.5 kg，则材料的总重力为
G＝mg＝0.5 kg×10 N/kg＝5 N，
因该潜水器材料的总重力小于悬浮时的浮力，所以需在水舱内注水，则需注入水的重力为
ΔG水＝F浮－G＝6.5 N－5 N＝1.5 N，
需注入水的体积为
ΔV水＝＝
＝1.5×10－4 m3＝150 cm3>100 mL
故注射器应选规格为200 mL的．5 跨学科实践：潜艇
潜艇的沉与浮
1．潜艇与鱼儿：潜艇浸没后浮沉取决于 的改变，鱼儿在水中通过鱼鳔改变 ，从而改变浮力大小实现浮沉．
2．潜艇在水面时，如果自身重力大于浮力，则会 一些，增大排开水中的体积，从而增大浮力，达到新的平衡．同理，在水面上从大海驶入江河，则会 一些，达到新的平衡；潜艇浸没在水中时，浮力不变，通过水舱人工的方法排水、吸水，从而调节 ，实现浮沉或悬浮．
军用潜艇
军用潜艇是国家海军的 武器．潜艇空间分为 舱和 舱．依靠电力调节水舱内水的多少控制潜艇沉浮和前进，利用 、 、雷达充当“耳朵和眼睛”．
潜艇的沉与浮
典例1 [2024·德城区期中]某潜水艇在海面下隐蔽跟踪某个目标，有时要上浮或下潜，但都未露出水面．若下潜时所受重力为G1，浮力为F1；上浮时所受重力为G2，浮力为F2，则( )
A．F1＜F2，G1＝G2 B．F1＞F2，G1＝G2
C．F1＝F2，G1＞G2 D．F1＝G1，F2＞G2
在海水里，潜水艇F浮＝ρ海水gV排，在海水密度、排开水的体积不变时，所受浮力不变；但通过吸水、排水改变自身重力，从而改变F浮与G的关系，实现下潜、上浮或悬浮．“让海水进入压力舱”增大自重、“将海水排出压力舱”减小自重，F浮＞G2，潜水艇上浮，F浮＜G1，潜水艇下沉．
变式 “水下断崖”是指海洋中上层海水的密度高，下层海水的密度低的状态：潜艇在航行时如果遇到“水下断崖”会急速“掉深”，带来不可预测的危险．有关这种现象，下列说法正确的是( )
A．潜艇从高密度海水驶入低密度海水区域时浮力不变
B．“水下断崖”的危险在于潜水艇在驶入低密度海水区域时会急速下沉
C．“水下断崖”的危险在于潜水艇在驶入高密度海水区域时会急速上浮
D．遇到“水下断崖”时，为尽快脱险，需要向潜水艇的水舱内供气排水以增大潜艇浮力
潜艇模型制作比赛
典例2 [2024·济南二模]某同学制作了如图所示的潜水艇模型，下列说法正确的是( )
典例2图
A．潜水艇没有浮出水面时所受的重力相同
B．潜水艇没有浮出水面时所受的浮力相同
C．向外拉注射器活塞，可实现潜水艇上浮
D．向内推注射器活塞，可实现潜水艇下沉
潜水艇是通过改变自身的重力来实现下潜和上浮的．当潜艇模型浸没在水中时，排开水的体积不变，所受浮力不变；自制潜水艇通过向外拉注射器活塞或向内推注射器活塞时，改变潜水艇自身的重力，实现沉浮．
变式 [2023·涟水二模]在制作潜艇模型比赛中，小温用3个500 mL的矿泉水瓶黏在一起，两个密封的作“生活舱”，一个瓶身开孔的作“工作舱”．矿泉水瓶质量不计，替代潜艇质量的若干金属螺母放在“工作舱”内，通过往“工作舱”向内注水和向外排水实现潜艇的上浮、悬浮和下沉．(ρ水＝1.0×103 kg/m3)
(1)比赛中，小温要让漂浮状态的“潜艇”下沉入水，他应该往“工作舱” (填“向内注水”和“向外排水”)．
(2)潜艇悬浮时，有小螺母从“工作舱”的小孔中掉落至水底，此时潜艇的浮力 (填“变大”“变小”或“不变”)．
(3)若金属螺母体积不计，要实现潜艇上浮和下沉，则金属螺母重力的取值范围为 _ .
1．[2024·商河一模]如图所示是学校物理小组制作的演示潜水艇原理的模型，通过胶管A向烧瓶吸气，判断烧瓶的浮沉情况以及所受到浮力的变化( )
第1题图
A．上浮、增大 B．下沉、减少
C．下沉、不变 D．上浮、减小
2．[2024·惠阳期末]潜水艇在国家的国防中占有重要位置，潜水艇的艇壳是用高强度的特种钢板制造，某潜水艇最大下潜深度可达350 m，潜水艇的总质量为9×105 kg，艇内两侧有水舱，其截面如图所示，通过向水舱中充水或从水舱中向外排水来改变潜水艇的自重，从而使其下沉或上浮(g取10 N/kg，ρ海水取1×103 kg/m3)．求：
第2题图
(1)潜水艇是通过 实现下沉的．
(2)水舱未充海水时，漂浮在海面的潜水艇受到的浮力是 N，排开海水的体积是 m3.
(3)潜水艇在水面下匀速下潜的过程中受到海水的浮力 (填“变大”“不变”或“变小”)．
(4)当潜水艇下潜至最大下潜深度时，受到海水的压强为 Pa，舱门与海水的接触面积为1.5 m2，此舱门受到海水的压力为 N (用科学记数法表示)
3．[2024·西湖区模拟]【设计背景】我国设计的“蛟龙”号潜水艇最大下潜深度达到7 062米，希望同学们也能像我国潜艇设计师一样设计出一艘属于自己的潜水艇！
【产品设计】项目小组利用硬质塑料瓶制作潜水艇，塑料瓶厚度不计，两个舱之间密封不连通，水舱与注射器通过塑料软管相连，移动注射器活塞可以实现潜水器的浮沉，模型如图甲所示．
第3题图
【检验产品】如表所示为该小组制订的量表：
(1)为实验潜水艇的上浮，小组同学的操作是 ，从而排出水舱内的水，实现上浮．
(2)请在表格中填入“合格”的评价内容 ．
(3)如图乙所示，潜水艇完成从B到A上浮的过程，其浮力变化情况是 ．
(4)已知某小组同学采用的材料总质量0.5 kg，体积650 cm3，现有100 mL和200 mL两种规格的注射器，请通过计算说明应该选择哪种规格的注射器能实现在水中悬浮．
