[例1] 在弹簧秤下挂一个物体。物体在空气中时,弹簧秤的示数为4牛;浸没在水中时,弹簧秤的示数为3牛,求该物体的密度。
分析:固体的密度ρ=m/v,浮力f浮=ρ液**排,物重g=mg。如果根据物体受力平衡时各力的关系,物体全浸时v=v排的关系等,求出物体的质量m、体积v,便可确定物体的密度。
弹簧秤的示数表示秤对物体拉力的大小。物体在空气中时,可认为秤的示数为物体的重力;物体浸在水中时,可认为秤的示数为物重与浮力的差值。
解答:设物重为g,物体密度ρ、体积v、水的密度ρ水,弹簧秤两次示数f1=4牛,f2=3牛。
g=ρ**=f1 g-ρ水**=f2
两式相减,得ρ水**=f1-f2。此式与ρ**=f1相比,得,将f1、f2及ρ水=1.0×103千克/米3代入,可求出。
例2] 将密度为0.9×103千克/米3的物体,放进食盐的水溶液中,物体有的体积露出液面,求:
(1)食盐水的密度是多大?
(2)若将物体放入水中,露出水面的部分是总体积的十分之几?
分析:把物体放入盐水中,有的体积露出液面,那么物体体积的浸入盐水中,由于物体漂浮在盐水液面,从受力情况看,此时应满足:所受浮力与该物体的重量g相平衡。
由阿基米德定律: 而。
同理,将这个物体放入水中,设露出水面部分的体积为总体积的,此时该物体所受浮力应为,同样应满足。这样便可求出露出水面部分在总体积中所占的比例。
解答:(1)物体排开盐水的体积。
(2)设露出水面部分的体积为总体积的。
即露出水面部分为总体积的。
例3] 如图所示,体积不同、重力不同的a、b两个物体浸在水中。用绳系住a物,拉力为f时a物静止。用力f压b物,b物静止。若将a、b两物系在一起放入水中,它们将( )
a. 上浮 b. 下沉 c. 悬浮 d. 无法判定
分析:a物平衡,有ga=f+fa。b物静止,有gb+f=fb。
将a、b二物系在一起,重力不变,仍为ga、gb。两物系在一起放入水中,全浸时浮力为fa+fb。分析ga+gb与fa+fb的关系。
将a、b二物平衡时的关系式相加,得ga+gb+f=f+fa+fb
可知ga+gb=fa+fb,两物恰好悬浮在水中。选项c正确。
解答:c例4] 如图所示,在烧杯中漂浮着一块冰,冰中夹着一小块石子。当冰完全熔化为水时,水面将如何变化?
分析与解答:
冰化成水,原来冰所排开水的体积被水占据,只要分析清楚冰未化成水前占有的体积v1、冰化成水的体积v2之间的关系,即可得知水面的变化情况。若v1=v2,水面不动;v1<v2水面上升;v1>v2水面下降。
如果水面漂浮的是纯净的冰块,它的重力g=ρ冰**,排开水的体积为v1,有ρ冰**=ρ水**1;冰化为水后,水的重力等于冰的重力,有ρ冰**=ρ水**2。可以看出v1=v2。冰化为水后水面既不上升也不下降,液面高度不变。
如果冰中夹杂一小块石子,在漂浮时有g冰+g石=ρ水**1,或ρ冰**+ρ石**石=ρ水**1;冰化成水后体积v2,即ρ冰**=ρ水**2。两式合并,得ρ水**2+ρ石**石=ρ水**1;或ρ石v石=ρ水(v1-v2)。v1-v2是冰块漂浮时所占体积v1与冰化成水后体积之差。
由于石子的密度ρ石比水的密度ρ水大,所以石子的体积v石比冰块化为水填充在原冰排开水的体积内差值v1-v2要小,所以液面会下降。
如果冰中夹有塑料等密度小于水的物体,情况就比较复杂了。若这些密度较小的物体被全浸在水中,水面将上升。若这些物体在冰化后漂浮在水面,或冰中有气泡,冰熔化后溢出水面,结果是水面的高度不发生变化。
例5] 要打捞沉在水底的一个铁件,当铁件未露出水面时,起重机在匀速起吊的过程中,吊绳上承受的拉力是1.36×104牛。当铁件吊出水面后,匀速起吊时吊绳上承受的拉力是多少?
(ρ铁=7.8×103千克/米3)
分析:铁件在未露出水面时,受到水的浮力,当铁件匀速上升时,拉力与浮力之和等于重力。铁件露出水面后匀速上升,拉力与重力平衡。
如果不说明物体是实心还是空心,可先按实心求解,再根据给定条件判断这种看法是否正确。
解答:设铁件的体积为v,铁件在水中匀速上升时受到浮力f浮=ρ水**、重力g=ρ铁**、拉力f1,有f1+ρ水**=ρ铁**
铁件出水后,受到拉力f2,重力g,匀速上升时f2=g=ρ铁**,将上面结果代入,有。
牛。说明:浸在液体中的物体受到液体向上的浮力,所以提起液体中的物体较为省力。
如提在液体中的物体时用力f1、提在空气中的同一物体f2,若物体均保持静止不动,则f2>f1,且f2-f1=f浮,f浮为物体到液体的浮力。
我们可以用弹簧秤测物体的重力、物体放在液体中的“重力”,两者之差为浮力。将后一个重力加引号,是因为这个不等于重力,它等于重力与浮力的差。
一般说来,计算物体所受浮力的大小时,应当明确物体是实心的还是空心的。质量相同的实心物体和空心物体放在液体中时,它们排开液体的体积不同,受到浮力的大小不同。如果题目未明确物体是实心的还是空心的,按情理分析可能是实心的物体(如本题中的铁件),可以先假定该物体是实心物体,得到结果后再考虑是否假设错误。
例5] 要打捞沉在水底的一个铁件,当铁件未露出水面时,起重机在匀速起吊的过程中,吊绳上承受的拉力是1.36×104牛。当铁件吊出水面后,匀速起吊时吊绳上承受的拉力是多少?
(ρ铁=7.8×103千克/米3)
分析:铁件在未露出水面时,受到水的浮力,当铁件匀速上升时,拉力与浮力之和等于重力。铁件露出水面后匀速上升,拉力与重力平衡。
如果不说明物体是实心还是空心,可先按实心求解,再根据给定条件判断这种看法是否正确。
解答:设铁件的体积为v,铁件在水中匀速上升时受到浮力f浮=ρ水**、重力g=ρ铁**、拉力f1,有f1+ρ水**=ρ铁**
铁件出水后,受到拉力f2,重力g,匀速上升时f2=g=ρ铁**,将上面结果代入,有。
牛。说明:浸在液体中的物体受到液体向上的浮力,所以提起液体中的物体较为省力。
如提在液体中的物体时用力f1、提在空气中的同一物体f2,若物体均保持静止不动,则f2>f1,且f2-f1=f浮,f浮为物体到液体的浮力。
我们可以用弹簧秤测物体的重力、物体放在液体中的“重力”,两者之差为浮力。将后一个重力加引号,是因为这个不等于重力,它等于重力与浮力的差。
一般说来,计算物体所受浮力的大小时,应当明确物体是实心的还是空心的。质量相同的实心物体和空心物体放在液体中时,它们排开液体的体积不同,受到浮力的大小不同。如果题目未明确物体是实心的还是空心的,按情理分析可能是实心的物体(如本题中的铁件),可以先假定该物体是实心物体,得到结果后再考虑是否假设错误。
例6] 有一体积为1分米3的木块,质量为0.6千克。
(1)如果木块漂浮在水面上,如图(a)所示。这时木块受到的浮力有多大?
(2)如果在木块上放一铁块,这时木块正好全部没入水面下。如图(b)所示,则铁块的重力应为多少牛?
分析:浸在水中的木块受到水的浮力,浮力的大小等于木块排开水的重力。讨论木块的上浮、下沉、静止时,必须分析木块受到的各种力。
解答:(1)木块漂浮时,它受到的合力为零。此时木块受到的力有重力和浮力,二力大小相等方向相反。
木块受到的重力为g=ρ水**=mg,由m=0.6千克,g=9.8牛/千克,得知木块的重力g=5.88牛。
木块受到的浮力大小为f浮=g=5.88牛。
(2)根据题意,木块恰好全部没入水面,浸入水中的体积v排=1分米3=10-3米3。浮力大小为f’浮=ρ水**排=103千克/米3×9.8牛/千克×10-3米3=9.8牛。
木块受到重力g,重力的大小不变,与木块漂浮时相同,g=5.88牛。
木块还受到铁块向下的压力,压力f的大小等于铁块的重力g铁。
木块在压力、浮力、重力作用下平衡,有f’浮=f+g,f=f’浮-g=9.8牛-5.88牛=3.92牛。
铁块的重力为g铁=f=3.92牛。
说明:应当根据物体所受到的力分析其运动情况。通常情况下,物体浸在水中时,受到的作用力有重力、浮力,有时还有其他物体施加的压力或拉力。
如果物体静止(或匀速运动),则合力为零;如果物体上浮或下沉,合力就不为零,合力方向与物体上浮或下沉方向相同。反过来,由合力方向、合力是否为零,可判定物体是否上浮、下沉或静止不动。 求解漂浮物(如船)的最大承重等问题,也要用到本题所用的力平衡方程。
例7] 一铜块a放在木块上时,木块刚好全部浸入水中,若把与a同体积的合金块b挂于同一木块之下,木块也刚好全部浸入水中,试求合金块的密度。(铜的密度为8.9×103千克/米3)
分析:本题叙述了两种情况:铜块a放在木块上,木块刚好全部没入水中;合金块b挂在木块下(也在水中),木块也刚好没入水中。
两种情况下,木块都保持静止。可根据物体静止时合力为零的规律,列出联立方程求解。
解答:铜块a压木块时,木块刚好全部浸入水中。木块受到重力g、浮力f及铜块压力f1,三力平衡f=g+f1
合金块b在木块下立方拉木块,木块也刚好全部没入水中。木块受到重力g、浮力f及合金块的拉力f2,三力平衡f=g+f2
铜块a对木块的压力与它的重力相等,即f1=ρ铜**铜。
合金块b在水中,受到木块拉力f’2、重力ρ合**合、浮力ρ水**合,这三个力也平衡,有ρ水**合+f’2=ρ合**合。
木块对合金块的拉力f’2、合金块对木块的拉力f2是一对作用力、反作用力,它们的大小相等、方向相反,有f2=f’2=ρ合**合-ρ水**合。
将上述四个方程联立,得到ρ铜**铜=ρ合**合-ρ水**合。
因铜块、合金块体积相同,v铜=v合,所以ρ合=ρ水+ρ铜=103千克/米3+8.9×103千克/米3=9.9×103千克/米3。
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