2025年高考物理第二轮专项复习(全国通用)专题03 压强和浮力问题(学生版+教师版)

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名称 2025年高考物理第二轮专项复习(全国通用)专题03 压强和浮力问题(学生版+教师版)
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资源类型 试卷
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科目 物理
更新时间 2025-04-09 16:48:52

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专题03 压强和浮力问题
一、必备知识
(1)压强
1、定义:物体单位面积上受到的压力叫压强。;物理意义:压强是表示压力作用效果的物理量;公式 p=F/ S 其中各量的单位分别是:p:帕斯卡(Pa);F:牛顿(N)S:米2(m2)。
2、使用该公式计算压强时,关键是找出压力F(一般F=G=mg)和受力面积S(受力面积要注意两物体的接触部分)。
3、特例: 对于放在桌子上的直柱体(如:圆柱体、正方体、长放体等)对桌面的压强p=ρgh
(2)压强的计算与判断
方法1切割模型
1对于质地均匀、形状规则的柱体,竖切时,对地面压强不变,可以用p=pgh判断。
2对于质地均匀、形状规则的柱体,横切或斜切时,分别分析压力F、受力面积S的变化情况,
再根据p=F/ S判断与计算。
方法2叠加问题
1.如图所示,A、B两物体叠加后放在水平面上,求水平面受到的压强时,物体对水平面的压力F=GA+GB,水平面的受力面积为下面物体的底面积。
2.求上面物体对下面物体的压强时,压力大小等于上面物体的重力,受力面积取较小物体的底
面积,如甲、乙两图中受力面积均为A物体的底面积。
3.容器装液体、人骑自行车、车装货物等,求对水平地面的压强,都可以看成叠加模型。
(3)液体的压强
1、液柱体积V=Sh ;质量m=ρV=ρSh
2、液片受到的压力:F=G=mg=ρShg .
3、液片受到的压强:p= F/S=ρgh
4、液体压强公式p=ρgh说明:A、公式适用的条件为:液体 ; B、公式中物理量的单位为:p:Pa;g:N/kg;h:m ;C、从公式中看出:液体的压强只与液体的密度和液体的深度有关,而与液体的质量、体积、重力、容器的底面积、容器形状均无关。著名的帕斯卡破桶实验充分说明这一点。
区分液体对容器底的压强、压力与容器对水平支持面的压强、压力
方法1.液体对容器底的压强与压力
(1)求液体对容器底的压强和压力时,一般先用公式p=Pgh求出液体对容器底的压强,再根据F=pS求液体对容器底的压力。
(2)液体对容器底的压力F与液体重力G液的关系:
①只有当容器是柱体时,液体对容器底的压力大小才等于液体的重力(如图甲)。
②底小口大的容器底受到的压力小于液体的重力(如图乙)。
③底大口小的容器底受到的压力大于液体的重力(如图丙)
方法2.容器对水平支持面的压强与压力
求容器对水平支持面的压强和压力时,应先根据受力平衡求出容器对支持面的压力F=G液+G器,再根据p=F/S。求容器对支持面的压强。
(4)浮力
对阿基米德原理的理解(F浮=G排 或 F浮=ρ液gV排)
1、原理中“浸入液体里的物体”指两种情况。
2、能区分G物与G排;V物与V排;ρ物与ρ液的意义。
3、明确此公式的适用条件:既用于液体也适用于气体。
4、由此式理解决定浮力大小的因素。即:物体浸在液体中所受浮力的大小跟液体(气体)的密度和物体排开液体(气体)的体积有关,而跟物体本身的体积、密度、形状以及物体浸没在液体(气体)中的深度等无关。因此,在用F浮=ρ液gV排计算或比较浮力大小时,关键是分析液体的密度ρ液和排开液体的体积V排的大小。
5、判断物体的浮沉条件及浮沉的应用
物体的浮沉条件 (浸没在液体里的物体若只受重力和浮力的作用,由力运动的关系可知:)
当F浮 > G物 (ρ液 > ρ物)时,物体上浮→漂浮(F浮 = G物)。
当F浮 = G物 (ρ液 = ρ物)时,物体悬浮。
当F浮 < G物 (ρ液 < ρ物)时,物体下沉→沉底(F浮+ F支= G物)。
(5)浮力计算的几种方法
方法1求浮力大小的几种方法的选择
1.阿基米德原理法:F浮=G排=m排g=ρ液gV排,知道物体排开液体的体积或质量时常用。
2称重法:F浮=G物-F拉,用弹簧测力计测浮力时常用。
3.平衡法:当物体悬浮或漂浮时,F浮=G物,知道浮沉情况时常用。
4.压力差法:F浮=F向上-F向下,知道液体对物体上下表面的压力时常用。
方法2连体问题的解法
一般要对物体进行受力分析,可以对每个物体单独受力分析,也可对整体受力分析。求外部对整体的力时,整体受力分析更方便。
方法3液面变化类问题的解法
在一固定的容器中,向容器注水、从容器中排水或将物体浸入(提起)会引起液面高度变化,随之物体排开液体的体积V排、物体受到的浮力F浮、容器底部受到的液体压强p等发生变化,常常为解题方便,会用到变化量公式:△p=ρg△h、△F浮=ρ液g△V、△V排=S△h(适用于形状规则柱状容器)
(2024 长沙)有一个质量为4kg,底面积为500cm2的足够高的薄壁柱形容器放在水平地面上。g取10N/kg。
(1)容器受到的重力是多大?
(2)容器对水平地面的压强是多大?
(3)科技小组利用这个容器来研究物体的浮沉,他们将同种材料制成的不吸水的正方体A和长方体B放在容器中,如图甲所示。向容器内缓慢加水,A、B始终保持竖直,水深h与加水体积V的关系如图乙所示。当水深为3 0时,取出其中一个物体,水面下降2cm。当水深为3h0时,水对容器底部的压强是多少帕?(不考虑取出物体的过程中带出的水,ρ水=1.0×103kg/m3)
【解答】解:(1)容器受到的重力:
G=mg=4kg×10N/kg=40N;
(2)容器对水平地面的压力等于其重力,即F=G=40N,底面积S=500cm2=0.05m2,
容器对水平地面的压强:
p800Pa;
(3)由题意及图像可知,A、B浸没或漂浮时均有hB=2hA,注水体积由0~3V0的过程中,(S容﹣SA﹣SB)h0=3V0……①;
注水体积由3V0~7V0的过程中,(S容﹣SB)h0=7V0﹣3V0……②;
注水体积由7V0~12V0的过程中,S容h0=12V0﹣7V0……③;
联立①②③解得:SA=SBS容=100cm2,
由此可知正方体A边长l=10cm;
取出其中一个物体时,ΔV排=S容 Δh=500cm2×2cm=1000cm3=VAVB;
①若ρ物≥ρ水,则A、B浸没,由ΔV排=VA可知,取出的物体为A,h0为A的高度,h0=l=10cm,
水对容器底部的压强为:
p=ρ水g 3h0=1.0×103kg/m3×10N/kg×3×0.1m=3000Pa;
②若ρ物<ρ水,则A、B漂浮,由ΔV排=VAVB可知,取出的物体为B,
由图可知A浸入水中的深度为h0',B浸入水中的深度为2h0',
由于ΔV排=SB 2h0',即1000cm3=100cm2×2h0',
解得:h0'=5cm,水对容器底部的压强为:
p=ρ水g 3h0'=1.0×103kg/m3×10N/kg×3×0.05m=1500Pa。
答:(1)容器受到的重力是40N;
(2)容器对水平地面的压强是800Pa;
(3)当水深为3h0时,水对容器底部的压强是3000Pa或1500Pa。
(2024 河北)A为质量分布均匀的长方体物块,质量为300g,边长如图甲所示。B为内部平滑的圆柱形薄壁容器,底面积为300cm2,高为15cm,如图乙所示。A、B均静置于水平地面上。水的密度为1.0×103kg/m3,g取10N/kg。
(1)求A的密度;
(2)图甲中A对地面的压强为p1,将A放入B后,B对地面的压强为p2,且p1:p2=5:2,求B的质量;
(3)将A放入B后,向B中缓慢加水,在A对B底部的压力恰好最小的所有情况中,分析并计算水对容器底部的最小压力。
【解答】解:(1)A为质量分布均匀的长方体物块,质量为300g,其体积为VA=8cm×5cm×10cm=400cm3,则A的密度为:
ρA0.75g/cm3=0.75×103kg/m3;
(2)A对地面的压力等于自身的重力,则A对地面的压强为:
p1,
B对地面的压力等于自身的重力加A的重力,则B对地面的压强为:
p2,
因p1:p2=5:2,则:5:2,即:5:2,
代入数据,:5:2,
解得:mB=600g;
(3)将A放入B后,向B中缓慢加水,因A的密度小于水的密度,当A刚好漂浮,即F浮=GA=mAg=0.3kg×10N/kg=3N时,A对B底部的压力恰好为0;
当长方体底面积最大时,水的深度最小,此时水对容器底部的压力最小;
由图可知,最大底面积为SA'=0.08m×0.1m=0.008m2,
根据阿基米德原理可知,容器中水的最小深度(此时A浸入水中的深度):
hmin=h浸min0.0375m,
则水对容器底部的最小压强:
pmin=ρ水ghmin=1×103kg/m3×10N/kg×0.0375m=375Pa,
由p可知水对容器底部的最小压力为:
Fmin=pminSB=375Pa×300×10﹣4m2=11.25N。
答:(1)A的密度为0.75×103kg/m3;
(2)B的质量为600g;
(3)水对容器底部的最小压力为11.25N。
(2024 淄博)如图甲所示,水平放置的长方体容器中水深16cm,用细线将沉在容器底的圆柱体物块竖直向上匀速提升。从物块刚刚离开容器底到拉出水面的过程中,拉力F与物块下表面到容器底的距离h的关系如图乙所示(细线的质量、体积及物块带走的水均忽略不计,ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)。求:
(1)物块浸没在水中时受到的浮力;
(2)物块取出后,水对容器底的压强;
(3)容器中水的质量。
【解答】解:(1)由图乙可知,当h>15cm时,物块完全离开水面,物块受到的竖直向下的重力、竖直向上的拉力,则物块的重力:G=F′=13N;
当h<9cm时,物块完全浸没在水中,此时拉力F=8N,物块受到的竖直向下的重力、竖直向上的拉力、竖直向上的浮力,G=F+F浮,
因此物块浸没在水中时受到的浮力:F浮=G﹣F=13N﹣8N=5N。
(2)由图乙可知,当h=15cm时,物块下表面刚好离开水面,则物块取出后,容器中水的深度:h水′=15cm=0.15m,
水对容器底的压强:。
(3)根据F浮=ρ水gV排可得,物块浸没时排开水的体积:,
物块浸没时与物块取出后相比,水面下降的高度:h=h水﹣h水′=0.16m﹣0.15m=0.01m,
容器的底面积:,
容器中水的体积:,
根据可得,容器中水的质量:。
答:(1)物块浸没在水中时受到的浮力为5N;
(2)物块取出后,水对容器底的压强为1500Pa;
(3)容器中水的质量为7.5kg。
(2024 泰安)古代有一种计时器称为“漏刻”,其计时原理是通过漏壶或箭壶中水量的均匀变化来度量时间。图甲为我国国家博物馆收藏的西汉时期的计时工具青铜漏壶。图乙为某同学设计的计时工具箭壶模型,该模型由薄壁圆柱形玻璃容器、长方体木块(不吸水)和标有刻度的箭尺构成,箭尺重力忽略不计,其底部与木块相连,当向容器内均匀注水,可使箭尺和木块随水面匀速竖直上升,从而计时。已知容器高为50cm,底面积为700cm2;木块重1.5N,高为5cm。初始状态下,容器内有部分水,刚好使木块在浮力作用下与容器底部脱离接触,此时水深为3cm;工作状态下,当木块上升至上表面刚好与容器上沿相平时,一个计时周期结束。g取,不计容器底和容器壁的厚度。求:
(1)初始状态下木块受到的浮力;
(2)木块的密度;
(3)计时周期结束时木块底部受到的水的压强和容器内水的质量。
【解答】解:(1)初始状态下,木块漂浮,受到的浮力:
F浮=G木=1.5N;
(2)初始状态下,由题知,V排V木,﹣﹣﹣﹣﹣①
由木块漂浮可知,F浮=G木,可得:
ρ水gV排=ρ木gV木,﹣﹣﹣﹣﹣②
由①②可得木块的密度:
ρ木ρ水1.0×103kg/m3=0.6×103kg/m3;
(3)由题知,刚好使木块在浮力作用下与容器底部脱离接触,此时水深为3cm,即木块漂浮时其浸入水中的深度h浸=3cm,则此时木块露出水面的高度:h露=h木块﹣h浸=5cm﹣3cm=2cm,
根据题意,计时周期结束时,容器内水深为h水=H﹣h浸=50cm﹣2cm=48cm,木块底部所处的深度h1=h浸=3cm=0.03m,
木块底部受到的水的压强:
p水=ρ水gh1=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.03m=300Pa,
水的体积与木块排开水的体积之和:
V总=Sh水=700cm2×48cm=33600cm3=3.36×10﹣2m3,
由F浮=ρ水gV排得木块排开水的体积:
V排1.5×10﹣4m3=150cm3,
水的体积:
V水=V总﹣V排=33600cm3﹣150cm3=33450cm3,
由ρ可知水的质量:
m水=ρ水V水=1.0g/cm3×33450cm3=33450g=33.45kg。
答:(1)初始状态下木块受到的浮力为1.5N;
(2)木块的密度为0.6×103kg/m3;
(3)计时周期结束时木块底部受到的水的压强为300Pa,容器内水的质量为33.45kg。
(2024 芜湖模拟)如图所示,底面积为100cm2的圆柱形容器内盛有一定量的水,将一重力为6N的木块A放入水中,静止后A露出水面部分是木块总体积的五分之二,再将合金块B放在木块A的上方,静止后A露出水面部分是木块总体积的五分之一,求:
(1)单独将木块A放入水中,木块A受到的浮力大小;
(2)木块A的体积;
(3)放上合金块B后,水对容器底部的压强增加了多少。
【解答】解:(1)由题意可知,木块A漂浮在水面上,则单独将木块A放入水中,木块A受到的浮力大小为:
F浮=GA=6N;
(2)由阿基米德原理可知,此时木块A排开水的体积为:
V排6×10﹣4m3,
由于A露出水面部分是木块总体积的五分之二,浸没在水中的体积为:V排=(1)VAVA,所以木块A的体积为:
VA6×10﹣4m3=10﹣3m3;
(3)再将合金块B放在木块A的上方,静止后A露出水面部分是木块总体积的五分之一,此时V排′=(1)VAVA,
排开水的体积增加了:ΔV排=V排′﹣V排VAVAVA10﹣3m3=2×10﹣4m3,
液面升高的高度为:
Δh0.02m,
放上合金块B后,水对容器底部的压强增加了:
Δp=ρ水gΔh=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.02m=200Pa。
答:(1)单独将木块A放入水中,木块A受到的浮力大小为6N;
(2)木块A的体积为10﹣3m3;
(3)放上合金块B后,水对容器底部的压强增加了200Pa。
(2024 吉州区校级模拟)如图所示一个圆柱形容器,里面装入适量水。把体积为1.2×10﹣3m3、密度为0.6×103kg/m3的木块投入水中,当木块最后静止时,水深15cm,且水未溢出杯外。(g取10N/kg)求:
(1)木块的重力是多少?
(2)此时水对容器底的压强是多少?
(3)若用手向下把木块刚好全部压入水中不动,此时木块受到手的压力是多少?
【解答】解:(1)根据G=mg=ρVg知,木块的重力G=mg=ρ木V木g=0.6×103kg/m3×1.2×10﹣3m3×10N/kg=7.2N;
(2)水对容器底的压强p=ρ水gh=1×103kg/m3×10N/kg×0.15m=1.5×103Pa
(3)若用力把木块刚好全部压入水中不动,排开水的体积等于木块的体积,根据阿基米德原理知,此时木块受的浮力F浮=ρ水gV排=ρ水gV木=1×103kg/m3×10N/kg×1.2×10﹣3m3=12N;
根据力的平衡条件知,木块受到手的压力F压=F浮﹣G=12N﹣7.2N=4.8N。
答:(1)木块的重力是7.2N;
(2)此时水对容器底的压强是1.5×103Pa;
(3)若用手向下把木块刚好全部压入水中不动,此时木块受到手的压力是4.8N。
(2024 天府新区校级三模)薄壁圆柱形开口容器A和B的高度hA,hB,底面积SA,SB,数据如图所示。A容器装水后放在水平桌面上,再把B放入A中,B处于漂浮状态。此时水深h0=0.22m,B容器底部离A底部h1=0.1m。g取10N/kg,,容器B的底面始终保证水平。求:
(1)B容器漂浮时,B底部受水的压强?
(2)在空容器B中加入体积为100cm3的沙粒后(图中未画出),B容器下降了3cm,求沙粒的密度?
(3)若在空容器B中缓慢加入质量为m的沙粒,稳定后容器B受浮力大小?(结果可用m表示,m取值不确定,不考虑容器B装满后的情况)
【解答】解:(1)B容器漂浮时B底部受水的压强为:
p=ρ水gh=1×103kg/m3×10N/kg×(0.22m﹣0.1m)=1.2×103Pa;
(2)在空容器B中加入体积为100cm3的沙粒后(图中未画出),B容器下降了3cm,
则沙粒排开水的体积为:V排=5×10﹣3m2×0.03m=1.5×10﹣4m3;
由物体浮沉条件可知,沙粒的质量为:m=m排=ρ水V排=1×103kg/m3×1.5×10﹣4m3=0.15kg;
沙粒密度为:

(3)容器B未装入沙子时,漂浮在水面上,容器B的总重力为:

若在空容器B中缓慢加入质量为m的沙粒,容器B漂浮在水面上,稳定后容器B受浮力大小为:
F浮=G容器+G沙=6N+mg。
答:(1)B容器漂浮时,B底部受水的压强1.2×103Pa;
(2)在空容器B中加入体积为100cm3的沙粒后(图中未画出),B容器下降了3cm,求沙粒的密度1.5×103kg/m3;
(3)若在空容器B中缓慢加入质量为m的沙粒,稳定后容器B受浮力大小6N+mg。
(2024 雨花区校级二模)水平地面上有一质量为2千克的薄壁柱形容器,另有一个质量为8千克的圆柱体甲,甲的底面积是容器底面积的一半。容器中盛有水,将甲放入水中,分别测出甲放入容器前后,容器对水平桌面的压强p容、水对容器底部的压强p水,如表所示。(g取10N/kg)求:
(1)圆柱体甲的重力。
(2)圆柱体甲放入容器前水的深度。
(3)①请判断甲在水中的状态并说明理由;(提示:漂浮、浸没、未浸没等)
②圆柱体甲的密度。
容器对桌面、水对容器底的压强 甲放入前 甲放入后
p容(Pa) 6000 9000
p水(Pa) 5000 6000
【解答】解:(1)圆柱体甲的重力为:G甲=m甲g=8kg×10N/kg=80N;
(2)由表中数据,甲放入前水对容器底的压强为:p水=5000Pa,
圆柱体甲放入容器前水的深度:h0.5m;
(3)①容器对水平桌面的压力等于容器和水的重力和,即F容桌=G容器+G水,
容器对水平桌面的压强为:p容,
因为柱形容器,故水对容器底部的压力大小等于物体的重力,即F水容=G水,
水对容器底部的压强为:p水,
故p容﹣p水,
由表中数据可知,容器的底面积为:S2×10﹣2m2;
根据p,容器对桌面增加的压力为:ΔF=Δp容S=(9000Pa﹣6000Pa)×2×10﹣2m2=60N,
所以甲放入容器后,溢出水的重力为:G溢=G甲﹣ΔF=80N﹣60N﹣20N<G甲,
说明甲在水中触底,甲受到的浮力为:F浮甲=G溢=20N,
所以甲排开水的体积为:V排2×10﹣3m3,
甲浸入水中的深度为:h浸0.2m<0.5m,
说明甲沉底且浸没;
②甲在水中一定是浸没的,甲的体积等于排开水的体积:V甲=V排=2×10﹣3m3,
圆柱体甲的密度:ρ甲4×103kg/m3。
答:(1)圆柱体甲的重力为80N;
(2)圆柱体甲放入容器前水的深度为0.5m;
(3)①沉底且浸没;
②圆柱体甲的密度为2×103kg/m3。
(2024 荔城区校级模拟)2023年8月初,华北地区面临严峻的防汛形势。为减小抗洪压力,科创小组设计了水库自动泄洪控制装置,将其制成顶部开有小孔的模型,如图所示。其中A为压力传感器,B是密度小于水且不吸水的圆柱体。能沿固定的光滑细杆在竖直方向自由移动。当模型内水深h1=15cm时,B与模型底面刚好接触且压力为零。水面上涨到设计的警戒水位时,圆柱体对压力传感器的压力为3N,触发报警装置,开启通洪阀门。已知圆柱体B的底面积SB=100cm2,高hB=25cm,ρ水=1×103kg/m3。求:
(1)当模型内水深h1=15cm时,水对模型底部的压强;
(2)B的密度;
(3)为了提高防洪安全性,警戒水位需要比原设计低4cm,则需要在B的上方加上与B同材质同底面积的圆柱体C,求圆柱体C的高度h。
【解答】解:(1)当模型内水深h1=15cm时,水对模型底部的压强
p=ρ水gh1=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.15m=1500Pa;
(2)当模型内水深h1=15cm时,B排开水的体积:V0=SBh1=100cm2×15cm=1500cm3,
由B与模型底面刚好接触且压力为零可知,此时B处于漂浮状态,
由物体的漂浮条件可知,B的重力:GB=F0浮=ρ水gV0=1.0×103kg/m3×10N/kg×1500×10﹣6m3=15N,
由G=mg可知,B的质量:mB1.5kg=1500g,
B的体积:VB=SBhB=100cm2×25cm=2500cm3,
则B的密度:ρB0.6g/cm3=0.6×103kg/m3;
(3)刚触发报警装置时圆柱体对压力传感器的压力为3N,
由力的平衡条件可知,此时B受到的浮力:F2浮=GB+F2=15N+3N=18N,
由F浮=ρ液gV排可知,B排开水的体积:V21.8×10﹣3m3=1800cm3,
由V=Sh可知,B浸入水中的深度:h218cm,
由刚触发报警装置时B浸入水中的深度和B的高度可知,A到水面的距离:hA=hB﹣h2=25cm﹣18cm=7cm,
警戒水位需要比原设计低4cm时,A到水面的距离:hA'=hA+4cm=7m+4cm=11cm,
则BC整体排开水的深度:hBC=h+hB﹣hA'=h+25cm﹣11cm=h+14cm,
BC整体排开水的体积:VBC=SBhBC=100cm2×(h+14cm)=(100h+1400)cm3,
此时BC整体受到的浮力:F浮=ρ水gVBC=1.0×103kg/m3×10N/kg×(100h+1400)×10﹣6m3,
BC整体的体积:V=SB(h+hB)=100cm2×(h+25cm)=(100h3+2500)cm3,
由密度公式和G=mg可知,BC整体的重力:G=mg=ρBVg=0.6×13kg/m3×10N/kg×(100h3+2500)×10﹣6m3,
由力的平衡条件可知,F浮=G+F,
即1×103kg/m3×10N/kg×(100h+1400)×10﹣6m3=0.6×103kg/m3×10N/kg×(100h+2500)×10﹣6m3+3N,
解得:h=10cm。
答:(1)当模型内水深h1=15cm时,水对模型底部的压强为1500Pa;
(2)B的密度为0.6×103kg/m3;
(3)圆柱体C的高度为10cm。
(2024 汕尾二模)小明骑自行车去上学的途中,匀速经过一段平直路面,已知小明和自行车的总质量为70kg,自行车每个轮胎与地面的接触面积为10cm2。小明在该平直路面上骑行时受到的阻力为人和自行车总重力的0.05倍,g取10N/kg,求:
(1)小明和自行车受到的总重力;
(2)小明在该平直路面上骑行时受到的阻力;
(3)小明在该平直路面上骑行时,自行车对地面的压强。
【解答】解:(1)小明和自行车受到的总重力为:G=mg=70kg×10N/kg=700N;
(2)小明在该平直路面上骑行时受到的阻力为:f=0.05G=0.05×700N=35N;
(3)小明在该平直路面上骑行时,自行车对地面的压力为:F=G=700N,
则小明在该平直路面上骑行时,自行车对地面的压强为:p3.5×105Pa。
答:(1)小明和自行车受到的总重力为700N;
(2)小明在该平直路面上骑行时受到的阻力为35N;
(3)小明在该平直路面上骑行时,自行车对地面的压强为3.5×105Pa。
(2024 长沙二模)如图所示,甲、乙两个完全相同的薄壁圆柱形容器置于水平桌面上,两容器底部开口,用一根细橡皮管相连,开始时用夹子K夹住(不计橡皮管的体积)。容器底面积均为200cm2,甲中盛有深度为40cm的水,乙中放一底面积为40cm2、高为20cm的圆柱形木块,且甲中水对容器底部的压强是木块对乙容器底部压强的4倍。(g取10N/kg;ρ水=1×103kg/m3)
(1)甲中水对容器底部的压强;
(2)木块的密度;
(3)松开夹子K,直到水不再流动。稳定后用两个夹子夹住橡皮管,然后用剪刀从两个夹子间将橡皮管剪断,将甲、乙分开。接下来用力将乙中的木块沿竖直方向移动4cm,求此时乙容器对桌面压强。已知乙容器和夹子、橡皮管的总质量为400g。(此过程中木块始终保持竖直,且不沾水)
【解答】解:(1)甲中水对容器底部的压强为p水=ρ水gh水=1×103kg/m3×10N/kg×40×10﹣2m=4000Pa。
(2)已知甲中水对容器底部的压强是木块对乙容器底部压强的4倍,
则木块对乙容器底部的压强为:p木p水4000Pa=1000Pa,
根据pρgh可得,木块的密度为:
ρ木0.5×103kg/m3。
(3)木块的密度小于水的密度,松开夹子K,当木块刚好在水中漂浮时,受到的浮力等于木块的重力,
即F浮=G木,则有:ρ水gV排=ρ木gV木,即:1×103kg/m3×V排=0.5×103kg/m3×40×10﹣4m2×20×10﹣2m,
解得:V排=4×10﹣4m3,
此时木块浸入水中的高度为:h浸0.1m,
即此时乙中水的高度为:h乙水=h浸=0.1m=10cm,
此时乙中水的体积为:V乙水=h浸(S乙﹣S木)=0.1m×(200×10﹣4m2﹣40×10﹣4m2)=1.6×10﹣3m3,
甲容器中原来水的体积为:V水=S甲h水=200×10﹣4m2×40×10﹣2m=8×10﹣3m3,
则此时甲中水的体积为:V水甲=V水﹣V乙水=8×10﹣3m3﹣1.6×10﹣3m3=6.4×10﹣3m3,
此时甲中水深度为:h水甲0.32m>0.1m,
由连通器原理可知,水还会流动,直到两侧水面相平。
当水不再流动时,由于容器底面积相同,所以甲中水的体积等于乙中水和木块排开水的体积之和,
则乙中水的体积为:V乙水′(V水+V排)﹣V排(8×10﹣3m3+4×10﹣4m3)﹣4×10﹣4m3=3.8×10﹣3m3,
乙容器中水的质量为:Δm水=ρ水V乙水′=1×103kg/m3×3.8×10﹣3m3=3.8kg。
此时木块底部距离乙容器底的距离ΔHh浸0.1m=0.11m。
木块沿竖直方向移动4cm,分两种情况讨论:
①若用力将乙中的木块沿竖直方向向上移动Δh上=4cm,设水面下降的高度为Δh',
根据ΔV排的两种计算方法可得ΔV排=S容Δh'=S木(Δh'+Δh上),其中S容为乙容器的底面积,
则水面下降的高度Δh'1cm,
则木块浸入水中深度为h浸′=h浸﹣Δh上﹣Δh'=10cm﹣4cm﹣1cm=5cm,
则木块排开水的体积V排′=S木h浸′=40cm2×5cm=200cm3=2×10﹣4m3,
木块排开水的重力G排′=ρ水gV排′=1×103kg/m3×10N/kg×2×10﹣4m3=2N,
乙容器和夹子、橡皮管、水的总重力为G总=m总g=(400×10﹣3kg+3.8kg)×10N/kg=42N。
由阿基米德原理可知木块排开水的重力等于木块受到的浮力,又因为木块受到的浮力与木块对水的压力为一对相互作用力,所以木块对水的压力等于木块排开水的重力,所以乙容器对桌面压力F压=G总+G排′=42N+2N=44N,
乙容器对桌面压强p2.2×103Pa。
②若用力将乙中的木块沿竖直方向向下移动Δh下=4cm,设水面上升的高度为Δh″,
根据ΔV排的两种计算方法可得ΔV排′=S容Δh″=S木(Δh″+Δh下),
则水面上升的高度Δh''1cm,
则木块浸入水中深度为h浸''=h浸+Δh下+Δh''=10cm+4cm+1cm=15cm,
则木块排开水的体积V排''=S木h浸''=40cm2×15cm=600cm3=6×10﹣4m3,
木块排开水的重力G排''=ρ水gV排''=1×103kg/m3×10N/kg×6×10﹣4m3=6N,
所以乙容器对桌面压力F压'=G总+G排''=42N+6N=48N,
乙容器对桌面压强p2.4×103Pa。
答:(1)甲中水对容器底部的压强为4000Pa;
(2)木块的密度为0.5×103kg/m3;
(3)此时乙容器对桌面压强为2.2×103Pa或2.4×103Pa。
(2024 任城区校级三模)如图一重力为4N、底面积为80cm2的平底圆柱形薄壁容器,置于1m2水平桌面中央(容器壁厚度不计),逐渐向容器倒某种液体,液体的压强与深度的关系如图所示。(g=10N/kg)求:
(1)液体的密度;
(2)当h=4cm时,液体对容器底部受压力;
(3)当h=4cm时,容器对桌面压强。
【解答】解:(1)由图可知当液体深度为4cm时,液体对容器底的压强为4×102Pa,根据液体压强公式p=ρgh可知,液体的密度为

(2)液体深度为4cm时,液体对容器底的压强为4×102Pa,则液体对容器底的压力为
F=pS=4×102Pa×80×10﹣4m2=3.2N;
(3)当h=4cm时,当柱状平底薄壁容器放在水平桌面上,液体对容器底的压力大小等于液体的重力,则容器对水平桌面的压力为
F′=G容器+G液=4N+3.2N=7.2N,
由图可知,容器与桌面的接触面积即为容器的底面积,则容器对桌面压强为

答:(1)液体的密度为1×103kg/m3;
(2)当h=4cm时,液体对容器底部的压力为3.2N;
(3)当h=4cm时,容器对桌面压强为900Pa。
(2024 射洪市校级二模)如图所示,薄壁圆柱形容器甲的底面积为300cm2,足够高,圆柱形实心物体A质量为1200g,底面积为100cm2,高为20cm,放置于甲容器中。圆柱形实心物体B底面积为200cm2,高为4cm,密度为ρB,g取10N/kg。求:
(1)圆柱形实心物体A的密度ρA;
(2)在圆柱形容器甲中加水3000g,A漂浮,求此时水对容器底部的压强p1;
(3)在(2)问基础上,再在圆柱形容器甲中加水1300g,将物体B稳定放置于A物体上方,静止后A浸在水中(浸没是其中一种可能)B全露出,,请写出水对物体A底部的压强p2与物体B的密度ρB的函数关系。
【解答】解:(1)圆柱形实心物体A的密度为:

(2)在圆柱形容器甲中加水3000g,A漂浮,A受到的浮力为:
F浮=GA=1.2kg×10N/kg=12N,
由F浮=ρ液gV排可得,A排开水的体积为:

水面的高度为:

此时水对容器底部的压强:

(3)B的体积为:
VB=SBhB=200cm2×4cm=800cm3,
A的体积为:
VA=SAhA=100cm2×20cm=2000cm3,
此时水的总体积为:
4300cm3,
当A浸没在水中,B全部露出时,A受到的浮力为F浮=ρ水gVA,将A、B作为一个整体进行受力分析,则
mBg+mAg=F浮,即ρBVBg+mAg=ρ水gVA,

当时,
则水对物体A底部的压强为

答:(1)圆柱形实心物体A的密度为0.6g/cm3;
(2)在圆柱形容器甲中加水3000g,A漂浮,此时水对容器底部的压强为1400Pa;
(3)水对物体A底部的压强p2与物体B的密度ρB的函数关系为p2=1200Pa+800ρBPa。
(2024 湖南模拟)如图甲所示,质量分布均匀且不吸水的柱体A高70cm(ρA<ρ水),足够高的柱形容器B底面积SB为300cm2,装有h0=10cm深的水,水的密度,g取10N/kg。
(1)水对容器底的压力为多少牛?
(2)若将A水平切去高度为h的部分,并将切去部分竖直缓慢放入B中,水的深度h水随切取高度h的变化关系如图乙所示。柱体A的密度是多少?
(3)当切去的高度h为某一值时,A剩余部分对水平桌面的压强和水对容器底部的压强相等,然后向B中缓慢加水,当加入水的质量为2200g时,水中柱体仍保持直立,水对容器底的压强为多少Pa?
【解答】解:(1)根据p=ρgh可得,水对容器底的压强为
根据可得,水对容器底的压力为
(2)由图乙可知,将A水平切去高度为h1=30cm时,放入水中时恰好漂浮,浸在水中深度为h水1=15cm,设A的底面积为SA,A的密度为ρA,由物体的沉浮条件得;G1=F浮1
SAh1ρAg=SAh水ρ水g,
解得
0.5×103kg/m3
(3)当h1=30cm时物体恰好漂浮,所以物体A的底面积SA
当h1=30cm时,水的对容器底部的压强为
p水1=ρ水h水1g=1×103kg/m3×15×10﹣2m×10N/kg=1500Pa,
此时物体A剩余部分对桌面的压强
pA1=ρAghA1=0.5×103kg/m3×10N/kg×(70﹣30)×10﹣2m=2000Pa,
由A剩余部分对水平面的压强和水对容器的压强相等知,剩余部分高度hA2<40cm,
ρAhA2g=p水1,
0.3m=30cm
切去高度hA3=40cm
假设加水m水加=2200g水后,柱体触底,
那么加水后水面增加Δh11cm
那么容器中水深h水2=h水1+Δh=15cm+11cm=25cm
水中柱体要漂浮排开水的高度h排1,
由此可知柱体在水中处于漂浮状态,设此时容器深度h水3
则有SBh水3
把数据代入解得h水3=24cm
水对容器底的压强p水3=ρ水gh水3=1×103kg/m3×10N/kg×24×10﹣2m=2400Pa,
答:(1)水对容器底的压力为30N;
(2)柱体的密度为0.5×103kg/m3;
(3)水的容器底的压强为2400Pa。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)专题03 压强和浮力问题
一、必备知识
(1)压强
1、定义:物体单位面积上受到的压力叫压强。;物理意义:压强是表示压力作用效果的物理量;公式 p=F/ S 其中各量的单位分别是:p:帕斯卡(Pa);F:牛顿(N)S:米2(m2)。
2、使用该公式计算压强时,关键是找出压力F(一般F=G=mg)和受力面积S(受力面积要注意两物体的接触部分)。
3、特例: 对于放在桌子上的直柱体(如:圆柱体、正方体、长放体等)对桌面的压强p=ρgh
(2)压强的计算与判断
方法1切割模型
1对于质地均匀、形状规则的柱体,竖切时,对地面压强不变,可以用p=pgh判断。
2对于质地均匀、形状规则的柱体,横切或斜切时,分别分析压力F、受力面积S的变化情况,
再根据p=F/ S判断与计算。
方法2叠加问题
1.如图所示,A、B两物体叠加后放在水平面上,求水平面受到的压强时,物体对水平面的压力F=GA+GB,水平面的受力面积为下面物体的底面积。
2.求上面物体对下面物体的压强时,压力大小等于上面物体的重力,受力面积取较小物体的底
面积,如甲、乙两图中受力面积均为A物体的底面积。
3.容器装液体、人骑自行车、车装货物等,求对水平地面的压强,都可以看成叠加模型。
(3)液体的压强
1、液柱体积V=Sh ;质量m=ρV=ρSh
2、液片受到的压力:F=G=mg=ρShg .
3、液片受到的压强:p= F/S=ρgh
4、液体压强公式p=ρgh说明:A、公式适用的条件为:液体 ; B、公式中物理量的单位为:p:Pa;g:N/kg;h:m ;C、从公式中看出:液体的压强只与液体的密度和液体的深度有关,而与液体的质量、体积、重力、容器的底面积、容器形状均无关。著名的帕斯卡破桶实验充分说明这一点。
区分液体对容器底的压强、压力与容器对水平支持面的压强、压力
方法1.液体对容器底的压强与压力
(1)求液体对容器底的压强和压力时,一般先用公式p=Pgh求出液体对容器底的压强,再根据F=pS求液体对容器底的压力。
(2)液体对容器底的压力F与液体重力G液的关系:
①只有当容器是柱体时,液体对容器底的压力大小才等于液体的重力(如图甲)。
②底小口大的容器底受到的压力小于液体的重力(如图乙)。
③底大口小的容器底受到的压力大于液体的重力(如图丙)
方法2.容器对水平支持面的压强与压力
求容器对水平支持面的压强和压力时,应先根据受力平衡求出容器对支持面的压力F=G液+G器,再根据p=F/S。求容器对支持面的压强。
(4)浮力
对阿基米德原理的理解(F浮=G排 或 F浮=ρ液gV排)
1、原理中“浸入液体里的物体”指两种情况。
2、能区分G物与G排;V物与V排;ρ物与ρ液的意义。
3、明确此公式的适用条件:既用于液体也适用于气体。
4、由此式理解决定浮力大小的因素。即:物体浸在液体中所受浮力的大小跟液体(气体)的密度和物体排开液体(气体)的体积有关,而跟物体本身的体积、密度、形状以及物体浸没在液体(气体)中的深度等无关。因此,在用F浮=ρ液gV排计算或比较浮力大小时,关键是分析液体的密度ρ液和排开液体的体积V排的大小。
5、判断物体的浮沉条件及浮沉的应用
物体的浮沉条件 (浸没在液体里的物体若只受重力和浮力的作用,由力运动的关系可知:)
当F浮 > G物 (ρ液 > ρ物)时,物体上浮→漂浮(F浮 = G物)。
当F浮 = G物 (ρ液 = ρ物)时,物体悬浮。
当F浮 < G物 (ρ液 < ρ物)时,物体下沉→沉底(F浮+ F支= G物)。
(5)浮力计算的几种方法
方法1求浮力大小的几种方法的选择
1.阿基米德原理法:F浮=G排=m排g=ρ液gV排,知道物体排开液体的体积或质量时常用。
2称重法:F浮=G物-F拉,用弹簧测力计测浮力时常用。
3.平衡法:当物体悬浮或漂浮时,F浮=G物,知道浮沉情况时常用。
4.压力差法:F浮=F向上-F向下,知道液体对物体上下表面的压力时常用。
方法2连体问题的解法
一般要对物体进行受力分析,可以对每个物体单独受力分析,也可对整体受力分析。求外部对整体的力时,整体受力分析更方便。
方法3液面变化类问题的解法
在一固定的容器中,向容器注水、从容器中排水或将物体浸入(提起)会引起液面高度变化,随之物体排开液体的体积V排、物体受到的浮力F浮、容器底部受到的液体压强p等发生变化,常常为解题方便,会用到变化量公式:△p=ρg△h、△F浮=ρ液g△V、△V排=S△h(适用于形状规则柱状容器)
(2024 长沙)有一个质量为4kg,底面积为500cm2的足够高的薄壁柱形容器放在水平地面上。g取10N/kg。
(1)容器受到的重力是多大?
(2)容器对水平地面的压强是多大?
(3)科技小组利用这个容器来研究物体的浮沉,他们将同种材料制成的不吸水的正方体A和长方体B放在容器中,如图甲所示。向容器内缓慢加水,A、B始终保持竖直,水深h与加水体积V的关系如图乙所示。当水深为3 0时,取出其中一个物体,水面下降2cm。当水深为3h0时,水对容器底部的压强是多少帕?(不考虑取出物体的过程中带出的水,ρ水=1.0×103kg/m3)
(2024 河北)A为质量分布均匀的长方体物块,质量为300g,边长如图甲所示。B为内部平滑的圆柱形薄壁容器,底面积为300cm2,高为15cm,如图乙所示。A、B均静置于水平地面上。水的密度为1.0×103kg/m3,g取10N/kg。
(1)求A的密度;
(2)图甲中A对地面的压强为p1,将A放入B后,B对地面的压强为p2,且p1:p2=5:2,求B的质量;
(3)将A放入B后,向B中缓慢加水,在A对B底部的压力恰好最小的所有情况中,分析并计算水对容器底部的最小压力。
(2024 淄博)如图甲所示,水平放置的长方体容器中水深16cm,用细线将沉在容器底的圆柱体物块竖直向上匀速提升。从物块刚刚离开容器底到拉出水面的过程中,拉力F与物块下表面到容器底的距离h的关系如图乙所示(细线的质量、体积及物块带走的水均忽略不计,ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)。求:
(1)物块浸没在水中时受到的浮力;
(2)物块取出后,水对容器底的压强;
(3)容器中水的质量。
(2024 泰安)古代有一种计时器称为“漏刻”,其计时原理是通过漏壶或箭壶中水量的均匀变化来度量时间。图甲为我国国家博物馆收藏的西汉时期的计时工具青铜漏壶。图乙为某同学设计的计时工具箭壶模型,该模型由薄壁圆柱形玻璃容器、长方体木块(不吸水)和标有刻度的箭尺构成,箭尺重力忽略不计,其底部与木块相连,当向容器内均匀注水,可使箭尺和木块随水面匀速竖直上升,从而计时。已知容器高为50cm,底面积为700cm2;木块重1.5N,高为5cm。初始状态下,容器内有部分水,刚好使木块在浮力作用下与容器底部脱离接触,此时水深为3cm;工作状态下,当木块上升至上表面刚好与容器上沿相平时,一个计时周期结束。g取,不计容器底和容器壁的厚度。求:
(1)初始状态下木块受到的浮力;
(2)木块的密度;
(3)计时周期结束时木块底部受到的水的压强和容器内水的质量。
(2024 芜湖模拟)如图所示,底面积为100cm2的圆柱形容器内盛有一定量的水,将一重力为6N的木块A放入水中,静止后A露出水面部分是木块总体积的五分之二,再将合金块B放在木块A的上方,静止后A露出水面部分是木块总体积的五分之一,求:
(1)单独将木块A放入水中,木块A受到的浮力大小;
(2)木块A的体积;
(3)放上合金块B后,水对容器底部的压强增加了多少。
(2024 吉州区校级模拟)如图所示一个圆柱形容器,里面装入适量水。把体积为1.2×10﹣3m3、密度为0.6×103kg/m3的木块投入水中,当木块最后静止时,水深15cm,且水未溢出杯外。(g取10N/kg)求:
(1)木块的重力是多少?
(2)此时水对容器底的压强是多少?
(3)若用手向下把木块刚好全部压入水中不动,此时木块受到手的压力是多少?
(2024 天府新区校级三模)薄壁圆柱形开口容器A和B的高度hA,hB,底面积SA,SB,数据如图所示。A容器装水后放在水平桌面上,再把B放入A中,B处于漂浮状态。此时水深h0=0.22m,B容器底部离A底部h1=0.1m。g取10N/kg,,容器B的底面始终保证水平。求:
(1)B容器漂浮时,B底部受水的压强?
(2)在空容器B中加入体积为100cm3的沙粒后(图中未画出),B容器下降了3cm,求沙粒的密度?
(3)若在空容器B中缓慢加入质量为m的沙粒,稳定后容器B受浮力大小?(结果可用m表示,m取值不确定,不考虑容器B装满后的情况)
(2024 雨花区校级二模)水平地面上有一质量为2千克的薄壁柱形容器,另有一个质量为8千克的圆柱体甲,甲的底面积是容器底面积的一半。容器中盛有水,将甲放入水中,分别测出甲放入容器前后,容器对水平桌面的压强p容、水对容器底部的压强p水,如表所示。(g取10N/kg)求:
(1)圆柱体甲的重力。
(2)圆柱体甲放入容器前水的深度。
(3)①请判断甲在水中的状态并说明理由;(提示:漂浮、浸没、未浸没等)
②圆柱体甲的密度。
容器对桌面、水对容器底的压强 甲放入前 甲放入后
p容(Pa) 6000 9000
p水(Pa) 5000 6000
(2024 荔城区校级模拟)2023年8月初,华北地区面临严峻的防汛形势。为减小抗洪压力,科创小组设计了水库自动泄洪控制装置,将其制成顶部开有小孔的模型,如图所示。其中A为压力传感器,B是密度小于水且不吸水的圆柱体。能沿固定的光滑细杆在竖直方向自由移动。当模型内水深h1=15cm时,B与模型底面刚好接触且压力为零。水面上涨到设计的警戒水位时,圆柱体对压力传感器的压力为3N,触发报警装置,开启通洪阀门。已知圆柱体B的底面积SB=100cm2,高hB=25cm,ρ水=1×103kg/m3。求:
(1)当模型内水深h1=15cm时,水对模型底部的压强;
(2)B的密度;
(3)为了提高防洪安全性,警戒水位需要比原设计低4cm,则需要在B的上方加上与B同材质同底面积的圆柱体C,求圆柱体C的高度h。
(2024 汕尾二模)小明骑自行车去上学的途中,匀速经过一段平直路面,已知小明和自行车的总质量为70kg,自行车每个轮胎与地面的接触面积为10cm2。小明在该平直路面上骑行时受到的阻力为人和自行车总重力的0.05倍,g取10N/kg,求:
(1)小明和自行车受到的总重力;
(2)小明在该平直路面上骑行时受到的阻力;
(3)小明在该平直路面上骑行时,自行车对地面的压强。
(2024 长沙二模)如图所示,甲、乙两个完全相同的薄壁圆柱形容器置于水平桌面上,两容器底部开口,用一根细橡皮管相连,开始时用夹子K夹住(不计橡皮管的体积)。容器底面积均为200cm2,甲中盛有深度为40cm的水,乙中放一底面积为40cm2、高为20cm的圆柱形木块,且甲中水对容器底部的压强是木块对乙容器底部压强的4倍。(g取10N/kg;ρ水=1×103kg/m3)
(1)甲中水对容器底部的压强;
(2)木块的密度;
(3)松开夹子K,直到水不再流动。稳定后用两个夹子夹住橡皮管,然后用剪刀从两个夹子间将橡皮管剪断,将甲、乙分开。接下来用力将乙中的木块沿竖直方向移动4cm,求此时乙容器对桌面压强。已知乙容器和夹子、橡皮管的总质量为400g。(此过程中木块始终保持竖直,且不沾水)
(2024 任城区校级三模)如图一重力为4N、底面积为80cm2的平底圆柱形薄壁容器,置于1m2水平桌面中央(容器壁厚度不计),逐渐向容器倒某种液体,液体的压强与深度的关系如图所示。(g=10N/kg)求:
(1)液体的密度;
(2)当h=4cm时,液体对容器底部受压力;
(3)当h=4cm时,容器对桌面压强。
(2024 射洪市校级二模)如图所示,薄壁圆柱形容器甲的底面积为300cm2,足够高,圆柱形实心物体A质量为1200g,底面积为100cm2,高为20cm,放置于甲容器中。圆柱形实心物体B底面积为200cm2,高为4cm,密度为ρB,g取10N/kg。求:
(1)圆柱形实心物体A的密度ρA;
(2)在圆柱形容器甲中加水3000g,A漂浮,求此时水对容器底部的压强p1;
(3)在(2)问基础上,再在圆柱形容器甲中加水1300g,将物体B稳定放置于A物体上方,静止后A浸在水中(浸没是其中一种可能)B全露出,,请写出水对物体A底部的压强p2与物体B的密度ρB的函数关系。
(2024 湖南模拟)如图甲所示,质量分布均匀且不吸水的柱体A高70cm(ρA<ρ水),足够高的柱形容器B底面积SB为300cm2,装有h0=10cm深的水,水的密度,g取10N/kg。
(1)水对容器底的压力为多少牛?
(2)若将A水平切去高度为h的部分,并将切去部分竖直缓慢放入B中,水的深度h水随切取高度h的变化关系如图乙所示。柱体A的密度是多少?
(3)当切去的高度h为某一值时,A剩余部分对水平桌面的压强和水对容器底部的压强相等,然后向B中缓慢加水,当加入水的质量为2200g时,水中柱体仍保持直立,水对容器底的压强为多少Pa?
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