阿基米德原理
【学习目标】
1.知道浮力的大小跟排开液体所受重力的关系;
2.理解阿基米德原理;
3.能利用阿基米德原理求浮力、体积、密度。
【要点梳理】
要点一、浮力的大小
探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系
(1)实验器材:溢水杯、弹簧测力计、金属块、水、小桶
(2)实验步骤:
①如图甲所示,用测力计测出金属块的重力;
②如图乙所示,把被测物体浸没在盛满水的溢水杯中,读出这时测力计的示数。同时,用小桶收集物体排开的水;
③如图丙所示,测出小桶和物体排开的水所受的总重力;
④如图丁所示,测量出小桶所受的重力。
把测量的实验数据记录在下面的表格中:
次数 物体所受
的重力/N 物体在水中时测
力计的读数/N 浮力/N 小桶和排开的水所
受的总重力/N 小桶所受的重力/N 排开水所受的重力/N
1
2
3
…
(3)结论:金属块所受的浮力跟它排开的水所受重力相等。
要点二、阿基米德原理
1.内容:浸在液体中的物体所受的浮力,大小等于它排开的液体所受的重力。
2.公式:
要点诠释:
①“浸在”包含两种情况:一是物体有一部分浸在液体中,此时V排液=V浸入<V物;二是物体全部没入液体中,此时V排液=V浸入=V物。
②“浮力的大小等于物体排开液体所受的重力”,这里要注意浮力本身是力,只能和力相等,很多同学常把这句话说成“浮力大小等于物体排开液体的体积”。力和体积不是同一物理量,不具有可比性;这里所受的重力,不是物体所受的重力,而是被排开液体所受的重力。
③由,可以看出,浮力的大小只跟液体的密度和物体排开液体的体积两个因素有关,而跟物体本身的体积、密度、形状,与在液体中是否运动,液体的多少等因素无关。
④阿基米德原理也适用于气体。浸没在气体里的物体受到浮力的大小,等于它排开的气体所受的重力。
即。
【典型例题】
类型一、浮力的大小
1、将一个体育测试用的实心球和一个乒乓球同时没入水中,放手后发现:实心球沉入水底。而乒乓球浮出水面,如图所示。比较实心球和乒乓球没入水中时受到的浮力大小,则
A.实心球受到的浮力大
B.乒乓球受到的浮力大
C.它们受到的浮力一样大
D.不能确定
【答案】A
【解析】根据阿基米德原理,浮力与液体密度和排开液体的体积有关,如图都在水中时,液体密度相同,实心球的体积大于乒乓球的体积,且乒乓球部分还露出水面,即实心球排开水的体积大,所以浮力大。故A正确,BCD错误。
举一反三:
【变式】1我国首台载人潜水器“蛟龙号”将“接触”5000米深海,当其排开海水的体积为3m3时,受到浮力的大小约为 N;该潜水器从1000米深处继续下潜,受到的浮力将 (选填”变大”、“不变”或“变小”)(海水的密度近似取:1×103千克/米3)
【答案】3×104;不变
【变式】2物块重20N,体积为4104m3,将它浸没在盛满水的溢水杯中,从杯中排出的水重为G,此时物块受到的浮力为F,比较它们的大小可知( )
A. G = F B. G > F C. G < F D. 无法判断
【答案】A
类型二、综合应用
2、小明探究“影响浮力大小的因素”的实验过程及有关数据如图所示。
(1)进行如图⑥所示实验时,物体受到的浮力为_______N。
(2)由图②、③、④所示实验得出的结论是:在液体密度相同时物体所受浮力的大小与______________有关。
(3)由图_______所示实验得出的结论是:物体浸没在液体中时,所受浮力的大小与深度无关。
(4)小明由图③、⑦所示实验,得出物体受到的浮力大小与液体的密度有关的结论。他的分析过程是_______(选填“正确”或“错误”)的,你判断的理由是___________________________________。
(5)由图中的数据,可以求出盐水的密度为_______kg/m3。(ρ=1.0×103 kg/m3,g取10 N/kg)
【答案】(1)0.8 (2)排开液体的体积 (3)④、⑤ (4)错误 没有控制排开液体的体积相同 (5)1.125×103
【解析】(1)由①④两图可以读出,物体重力G=5.0 N,物体全部浸没在水中时弹簧测力计的拉力,物体全部浸没在水中时的浮力,因为物体全部浸没在水中时浮力大小和深度无关,所以图⑥所示实验中物体所处的深度虽然增加了,但是浮力不变仍为0.8 N;
(2)由图②、③、④所示实验可知,液体的密度相同,排开液体的体积不同,物体所受的浮力大小不同,所以得出的结论是:在液体密度相同时,物体所受浮力的大小与排开液体的体积有关;
(3)物体浸没在液体中,探究和深度的关系时,应该控制液体密度、排开液体体积相同,深度不同,符合要求的是④⑤两图;
(4)浮力的大小除与液体的密度有关外,还与物体排开的液体体积有关,在乙、丙实验中没有对物体排开液体的体积进行控制,导致结论不准确;
(5)由①④知,浸没在水中时的浮力;由①⑦知,浸没在盐水中时的浮力;由得:物体的体积盐水的密度。
举一反三:
【变式】如图所示,将一边长为10cm的实心正方体木块轻轻放入装满水的溢水杯中。木块静止时,从杯中溢出水的质量为0.6㎏。(g取10N/㎏)
求:(1)木块所受的浮力F浮;
(2)木块排开水的体积V排;
(3)木块下表面所受水的压强p。
【答案】6N;6×10-4m3;600Pa
3.在相同的溢水杯中分别盛满不同的液体,再放入两个完全相同的小球,如图所示。当小球静止时,甲、乙两杯中溢出液体的重力分别是0.4 N和0.5 N,取g=10N/kg,则下列说法正确的是
A.小球的质量是50 g
B.甲杯中小球受到的浮力小于0.4 N
C.甲杯中液体对杯底的压强等于乙杯内液体对容器底部的压强
D.甲杯内液体对杯底的压力小于乙杯内液体对杯底的压力
【答案】AD【解析】A.小球在乙杯液体中处于漂浮状态,小球此时受到的浮力等于小球的重力,又此时排开的液体的重力为0.5 N,根据阿基米德原理可得,小球受到的浮力为0.5 N,小球的重力为0.5 N,小球的质量为m=,故A选项正确;B.小球在甲杯中排开液体的重力为0.4 N,根据阿基米德原理可得,甲杯中小球受到的浮力等于0.4 N,故B选项错误;C.两个完全相同的小球在甲杯液体中沉在底部,在乙杯液体中漂浮在液面上,甲杯中液体的密度小于小球的密度,乙杯中液体密度大于小球的密度,甲杯中液体的密度小于乙杯中液体密度,又两杯中液体的深度相同,根据液体压强公式p=ρgh可得,甲杯内液体对杯底的压强小于乙杯内液体对杯底的压强,故C选项错误;D.两个溢水杯的底面积相同,而甲杯内液体对杯底的压强小于乙杯内液体对杯底的压强,根据压强的变形公式F=pS可得,甲杯内液体对杯底的压力小于乙杯内液体对杯底的压力,故D选项正确。故选AD。
举一反三:
【变式】弹簧测力计下挂一个物体,弹簧测力计的示数为G。把物体浸没在水中,弹簧测力计的示数为G/3,则此物体的密度是 kg/m3。
【答案】1.5×103
类型三、实验探究
4.某实验小组利用弹簧测力计、小石块、溢水杯等器材,按照图所示的步骤,探究浮力的大小与排开液体所受重力的关系。
(1)先用弹簧测力计分别测出空桶和石块的重力,其中石块的重力大小为___________N。
(2)把石块浸没在盛满水的溢水杯中,石块受到的浮力大小为___________N。石块排开的水所受的重力可由___________(填字母代号)两个步骤测出。
(3)由以上步骤可初步得出结论:浸在水中的物体所受浮力的大小等于__________________。
(4)为了得到更普遍的结论,下列继续进行的操作中不合理的是___________。
A.用原来的方案和器材多次测量取平均值
B.用原来的方案将水换成酒精进行实验
C.用原来的方案将石块换成体积与其不同的铁块进行实验
(5)另一实验小组在步骤C的操作中,只将石块的一部分浸在水中,其他步骤操作正确,则___________(选填“能”或“不能”)得到与(3)相同的结论。
【答案】(1)3.8 (2)1.4 AD (3)物体排开液体的重力 (4)A (5)能
【解析】(1)由图B可知,弹簧测力计的示数为3.8 N,即物体对弹簧测力计的拉力为3.8 N,因为物体间力的作用是相互的,弹簧测力计对物体的拉力也为3.8 N;因为物体处于平衡状态,受拉力和重力是一对平衡力,大小相等,故物体的重力是3.8 N;
(2)由称重法知:F浮=G–F示=3.8 N–2.4 N=1.4 N;液体与桶的总重力与桶的重力之差是物体排开液体的重力,由图中AD两个步骤测出;
(3)根据(2)知F浮=1.4 N;排开液体的重力:G排=F桶和水–F桶=2.6 N–1.2 N=1.4 N,故可以得出浸在水中的物体所受浮力的大小等于排开液体的重力,即F浮=G排;
(4)本实验是“探究浮力的大小与排开液体所受重力的关系”属于探究性实验,多次测量找普遍规律。A.测量型实验多次测量取平均值减小误差,此实验为探究型,不能求平均值,故A不合理;B.用原来的方案将水换成酒精进行多次实验,找出普遍规律,故B合理;C.用原来的方案将石块换成体积与其不同的铁块进行实验,找出普遍规律,故C合理;故选A;
(5)只将石块的一部分浸入水中,排开水的体积减小,排开水的重力减小,浮力减小,仍能得出;F浮=G排。
【巩固练习】
一、选择题
1.如图所示,体积相等,形状不同的铅球、铁板和铝块浸没在水中不同深度处,则( )
A.铁板受到的浮力大 B.铝块受到的浮力大
C.铅球受到的浮力大 D.它们受到的浮力一样大
2.游泳的人由河边走向深水处的过程中,如果河底布满碎石子,则人感觉( )
A.脚会越来越疼,因为水对脚的压力越来越大
B.脚会越来越疼,因为水对人的浮力越来越大
C.脚疼越来越轻,因为河底对人的支持力越来越小
D.脚疼越来越轻,因为水对人的压力越来越大
3.如图所示,把一金属块挂在弹簧测力计下,全部浸于水中,弹簧测力计的示数为F,若让弹簧测力计
的示数变小,做法可行的是( )
A.往烧杯里加水 B.往烧杯里加些盐
C.往烧杯里加些酒精 D.把弹簧测力计向上提一下,但物体不露出水面
4.甲、乙、丙、丁是四个体积、形状相同而材料不同的实心球,把它们投入水中静止后情况如图所示,它们中受到浮力最小的是( )
A.甲 B.乙 C.丙 D.丁
5.浸没在液体中的物体所受浮力的大小( )
A.与物体的形状和浸没液体的深度有关 B.与物体的体积和液体的密度有关
C.与物体浸没液体的体积和液体密度有关 D.与物质的密度及液体的密度有关
6.(多选)如图,已知甲、乙两弹簧测力计的示数分别为5N、4N,把甲测力计下移,使金属块刚好没入水中时,甲的示数变成了3N。则此时( )
A.乙的示数为6N B.乙的示数为5N
C.金属块受到的浮力大小为2N D.金属块受到的浮力大小为3N
7. 将重为20N的金属块挂在弹簧测力计下,金属块体积的1/4 浸入水中并静止时,弹簧测力计的示数为18N,当金属块全部浸入水中并与杯底接触时,弹簧测力计的示数可能变为( )
A.18?N B.16?N C.14?N D.10?N
二、填空题
8.浸在液体里的物体受到的浮力,大小等于它排开的___________,这就是著名的阿基米德原理。浮力的方向总是_______的。
9.“瓦格良”号是我国第一艘可搭载固定翼飞机的航空母舰.该舰满载时排水量为67000t,吃水深度10m。则满载时该舰所受浮力为 N,舰底所受海水的压强约为 个标准大气压。
10.如图实验中,如果开始水桶中装满了水,按下饮料罐后水会溢出,越向下按饮料罐,桶中溢出的水也越多,饮料罐受到的 越大。如果溢出了100cm3的水,那么饮料罐所受到的浮力为 N。(g取10N/kg)
11.一物体用细线挂在弹簧测力计下,弹簧测力计的示数是19.6N,当把该物体浸没在水中时,弹簧测力计的示数是14.7N,则该物体浸没在水中时所受的浮力是________N,该物体所受的重力是________N,体积是________ m3,密度为________kg/m3。(g=10N/kg)
12.体积相同的实心铜球和实心铝球,铜球受到的重力________于铝球受到的重力。将它们浸没水中,铜球受到的浮力________于铝球受到的浮力。将铜球浸没于水中,铝球浸没于煤油中,铜球受到的浮力________于铝球受到的浮力。这时,铜球受到的浮力与铝球受到的浮力之比为________。(,)
三、实验探究题
13.某同学探究浮力的大小与液体的密度和物体排开液体的体积大小有什么样的关系,他利用弹簧测力
计、烧杯、溢水杯、石块、水等,按如图所示的步骤进行实验操作:
①用弹簧测力计测出小石块所受的重力。
②用弹簧测力计测出空烧杯所受的重力。
③把石块浸没在盛满水的溢水杯里,用空烧杯承接从溢水杯里溢出的水,读出此时弹簧测力计的示数。
④用弹簧测力计测出承接了水后烧杯和水受到的总重力力。
(1)请你帮助该同学完成下表(单位:N)。
石块受到的重力 空烧杯受到的重力 石块浸没水中时弹簧测力计的示数 空烧杯和水受到的总重力 石块受到的浮力 排开的水受到的重力
(2)从这个实验可以得出的结论是_________________________________。
四、解答题
14.物体如图所示,它的体积V=50cm3。此时将弹簧测力计下悬挂的物体浸没在水中,弹簧测力计的示数是多少?(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
15.如图所示,将一块重为3N、体积为100cm3的石块,用细线系着浸没在装有水的圆柱形容器中,容器
中水的深度由10cm上升到12cm(容器的重力和容器壁的厚度忽略不计,g=10N/kg)。求:
(1)石块所受浮力;
(2)容器中水的重力;
(3)细线松动,石块沉到容器底静止后,容器对水平地面的压强。
【答案与解析】
一、选择题
1.【答案】D
【解析】由题知,体积相等的铅球、铁板、铝块都完全浸入水中,
∵物体浸没水中时,排开水的体积,
∴铅球、铁板、铝块体积相同,所以排开水的体积也相同,
又∵,
∴铅球、铁板、铝块受到的浮力一样大。
2.【答案】C
【解析】河底对人的支持力,人越向深处,排开的水就越多,浮力就越大,支持力就越小。
3.【答案】B
【解析】加盐时液体的密度变大,金属块仍浸没,V排不变,故浮力变大,视重(G视=G-F浮)就变小。
4.【答案】A
【解析】排开液体的密度相同,排开液体的体积越小的物体,受到的浮力越小,所以甲球受到的浮力最小。
5.【答案】B
【解析】由阿基米德原理可知,浸在液体中的物体受到的浮力,与物体排开液体的体积和排开液体的密度有关,和其他因素没有关系。
6.【答案】AC
【解析】由图知,金属块的重:G=5N,
金属块在水中弹簧测力计的示数:,
∴金属块受到的浮力:故C正确、D错;
由图可知,金属块刚好没入水中时,排开的水收集在乙下面的容器中,,
乙的示数:,故A正确、B错。
7.【答案】D
【解析】(1)金属块体积的1/4浸入水中静止,金属块受到的浮力:
∵
∴金属块的体积:
解得:
(2)当金属块全部浸入水中,受到的浮力:,
当金属块与杯底接触时,弹簧测力计的示数:
所以:,所以只有D是可能的。
二、填空题
8.【答案】液体受到的重力;竖直向上
9.【答案】6.566×108;0.97
【解析】①航母满载时受到的浮力为F浮=G排=m排g=6.7×107kg×9.8N/kg=6.566×108N;②舰底受到水的压强为P=ρgh=1.0×103kg/m3×9.8N/kg×10m=9.8×104Pa≈0.97标准大气压。
10.【答案】浮力;1
【解析】(1)水桶中装满了水,按下饮料罐后水会溢出,越向下按饮料罐,饮料罐排开水的体积越大,由公式可知,受到的浮力越大。
(2)饮料罐受到的浮力为。
11.【答案】4.9;19.6; 4.9×10-4; 4×103
【解析】根据称重法测浮力:
由阿基米德原理:
可得:
物体的密度:
12.【答案】大;等;大;5:4
三、实验探究题
13.【答案】(1)1.5;0.5;1;1;0.5;0.5
(2)石块浸没在水中受到的浮力等于排开水的重力
四、解答题
14.【答案与解析】由弹簧测力计示数知,物体的重力为:G=4N,
物体受到的浮力:F浮=ρ水V排g=ρ水gV物=1.0×103kg/m3×10N/kg×50×10-6m3=0.5N,
物体浸没在水中,受到浮力、重力和弹簧测力计拉力作用,重力和浮力、弹簧测力计的拉力是平衡力,
所以,弹簧测力计的拉力是:F=G-F浮=4N-0.5N=3.5N,
所以弹簧测力计示数是3.5N。
答:弹簧测力计示数是3.5N。
15.【答案与解析】
(1)
(2)
(3)