把握规律,浮力不“浮”

2009-06-24 09:21吴 优
物理教学探讨·初中学生版 2009年2期
关键词:塑料瓶浮力液体

吴 优

浮力是初中物理难度较大而又重要的内容,涉及的概念多、知识广,与密度、物体的平衡条件、压强等知识联系密切,因此在中考中一直是命题的热点。笔者分析了多年来中考中有关浮力的题目的发展变化,以期帮助同学们把握有关浮力的试题的一些规律,提高复习的针对性。

一、考查浮力大小的决定因素

浮力大小的决定因素是一个较为简单的知识点,学生很容易记住结论——浮力大小只由排水量的多少和液体密度决定,但在解题时却容易受到原有错误观点的影响,总感觉漂浮的物体比沉底的物体所受浮力更大。因而浮力大小的决定因素既是一个常规考点,也是一个易错点,中考中经常更换试题背景,重复考查这一知识。

例1(2006·浙江)某同学帮实验室老师搞卫生,在清洗甲、乙两个体积相等的球时,发现它们在水中静止后处于如图1所示的状态,这时甲球受到的浮力______乙球受到的浮力。(选填“大于”、“等于”或“小于”)

提示:由于甲、乙两球体积相等,则悬浮的乙球排水量大于漂浮的甲球,所以乙球受到的浮力更大。

例2(2007·成都)两手分别拿着一个小木块和一个大石块,把它们都浸没到水中,同时松开手,小木块上浮,大石块下沉,受到浮力大的是()

A. 小木块 B. 大石块

C. 一样大 D. 不能确定

提示:对于基础知识不牢固的同学来说,“下沉”是一个很具迷惑性的陷阱。很多同学往往将此等同于“不受浮力”,从而得出错误结论。解决此题的关键同样在于抓住石块的排水量较大,得出正确答案为B选项。

例3(2008·长春)小明用质量忽略不计的薄塑料袋装满水,并用细线扎住袋口,称出水的质量是0.6 kg,则水的重力是________N(g取10 N/kg)。若用一根能承受1~2 N拉力的头发丝系在袋口上,用手托住塑料袋并浸没水中,提起头发丝并松开托住袋子的手,头发丝_______断(选填“会”或“不会”),原因是_______________。

提示:本题的新颖之处在于虽然是考查浮力大小的决定因素,但比较的是排开水的体积和物体自身的体积。由于均由同种物质构成,所以等体积的情况下浮力就等于物体的重力,无论承重能力是多少,头发丝都不会断。

分析:以上各小题都是考查浮力大小的决定因素,注重基础。但考题的物理模型逐年翻新,由例1的图形干扰到例2的情景置疑,再发展到例3在浮力平衡了重力的情况,巧妙利用非常规承重物设置难度。今后的中考中,有关浮力的决定因素的考题将以更新颖的形式出现。

二、物体的浮沉条件

物体的浮沉条件是浮力部分的核心内容,涉及到二力平衡和密度等知识,本身就具有很强的纵深能力,于是在中考试卷中逐渐地活跃起来,成为主导浮力与其他知识综合的载体。这部分内容是以选择、填空等客观性试题设计展现。

例1(2007·广州)同一只鸡蛋先后放入甲、乙两杯不同浓度的盐水中,鸡蛋在甲杯处于悬浮状态,如图2甲;在乙杯处于漂浮状态,如图2乙。可以肯定的是()

A. 甲杯盐水密度比乙杯盐水密度小

B. 甲杯盐水密度比乙杯盐水密度大

C. 甲图鸡蛋受到的浮力比乙图鸡蛋受到的浮力小

D. 甲图鸡蛋受到的浮力比乙图鸡蛋受到的浮力大

提示:此题考查物体浮沉条件中的受力条件和密度条件。物体漂浮和悬浮时浮力都等于重力,所以同一鸡蛋在甲、乙两杯中所受浮力相同;又因为漂浮的物体密度小于液体密度,悬浮的物体密度等于液体密度,所以正确选项为A。

例2(2008·黄石)一装有水的杯中飘浮有一塑料块,如图3所示。沿杯壁缓慢加入酒精并进行搅拌,使塑料块下沉。在此过程中,塑料块受到的浮力F随时间t的变化图象可能是图中的()(已知它们的密度关系是ρ 提示: 一个密度小于水的物体漂浮在水中时,它所受到的浮力等于它的重力。加入密度更小的酒精后,物体逐渐下沉,在完全浸没之前都是漂浮状态,因此此阶段浮力不变,排除A选项。完全浸没之后排水量不变,但液体密度减小,此阶段浮力减小,排除D选项。下沉后的物体也受到浮力,故正确结论为B选项。

例3(2008·宁夏)一艘轮船从海里驶入河里,下列说法正确的是()

A. 轮船所受浮力变小

B. 轮船所受浮力变大

C. 轮船排开液体的体积变小

D. 轮船排开液体的体积变大

提示:轮船总是处于漂浮状态,所以受到的浮力不变。由于从海里到河里后,液体的密度减小,要保持浮力不变就要增大排水量,所以正确的选项为D。

分析:浮沉条件一直是中考物理中的热点,命题者常更换命题角度以保持试题的“新颖”。在以上三例中,第一题是利用同一物体在不同液体中的浮沉状态来比较液体密度,第二题是以改变液体密度来分析同一物体的受力情况和状态,第三题是利用漂浮的物体所受浮力不变和液体密度的改变来判断排水量的变化,其考查实质都是物体在液体中所受浮力与液体密度的关系。由此可见,中考中浮沉条件问题将继续演化发展。我们复习时要牢牢抓住住基本点,做到以不变应万变。

三、浮力大小与浸没深度的关系

例1(2006·浙江)如图4所示,将漂浮在水面上的木块缓慢向下压,当木块全部浸入水中后仍继续向下压一段距离,在整个过程中,木块所受的浮力()

A. 先变大后变小

B. 先变大后不变

C. 先不变后变大

D. 先变小后变大

提示:此题分为两个阶段,第一阶段是在物体浸没之前,随着排水量的增多浮力变大;第二阶段是浸没之后深度增加,但排水量不变,因浮力大小与深度无关,故正确选项为B。

例2(2008·湖北)一长方体铁块按图5甲所示,从下表面与液面刚刚接触处下放至图中虚线位置。能大致反映铁块下降过程中所受浮力的大小F浮与铁块下表面浸入液体深度h深关系的图象是()

提示:与上题相似,本题的分析也分为两个阶段,只是结论由文字叙述变为图形语言,答案为D选项。

分析:浮力的大小与深度无关,是浮力部分很基础的知识,命题的范围不是很大,模型也较为单一,历年来的中考中考查的次数十分有限。预计在中考题型越来越多元化、强调理论联系实际的趋势下,浮力与深度的关系的题目将在中考中渐行渐远。

四、浮力的计算

例1(2006·镇江)据报道,某市图书馆白天停水,由于管理人员的疏忽,水龙头处于打开状态,排水口被塞子堵住,夜里水通了,水池里的水很快溢出,漫延至图书馆各处,造成很大的损失。小明同学是学校图书馆的义务管理员,看了这则报道后,动手自制“自动拔塞器”。该装置能够在类似情况下,自动拨开塞子排水。小明首先在水池某处做记号,作为警戒线;然后将塞子堵住排水口,打开水龙头放水至警戒线,用弹簧测力计向上拉塞子,当弹簧测力计的示数为5 N时,塞子被拔出;接着把水池中的水放掉,选择合适的空心密闭塑料瓶,调节塑料瓶与塞子间绳子的长度,向水池中重新放水,使得当水涨至警戒线时,塑料瓶就能把塞子拔出,如图6所示。已知塑料瓶的质量为30 g,总体积为750 mL,g取10 N/kg,问塑料瓶排开水的体积为多大时就能将塞子拔出?

提示:本题的阅读量较大,解题的关键是一个等效替代思想,也即用5 N的力可以将塞子拔出,那么需要塑料瓶产生的合力(浮力减重力)也就是5 N,再利用浮力的计算公式即可求出排水量的大小为530 mL。

例2(2008·黄冈)科技小组的同学用长方体泡沫塑料A、三脚架和灯泡等制作了一个航标灯模型(如图7),总重为4 N,A底部与浮子B用细绳相连。水位上升时,浮子B下降;水位下降时,浮子B上升,使航标灯静止时A浸入水中的深度始终为5 cm,排开水的质量为500 g,浮子B重0.5 N(不计绳重和绳与滑轮间的摩擦)。求:

(1)泡沫塑料A底部受到水的压强是多少?

(2)航标灯静止时,浮子B体积应为多大?

提示: 此题第一问考查液体压强公式,用公式p=?籽gh即可求解出A底强所受压强;第二问的解题关键在于抓住泡沫塑料A产生的浮力等于浮子B产生的浮力,从而解出浮子B的体积。

分析:以上两题虽然图形和物理模型完全不同,但隐含条件却有惊人的相似,即力的平衡。一个是塑料瓶的浮力平衡水对塞子的压力,一个是泡沫塑料的浮力平衡浮子的浮力,体积的计算并不是问题的最终目的,浮力的计算公式和二力平衡的分析能力才是此类题目真正的考查目的。例1的问题和例2的(2)问,均是这种模式的应用。由此我们还可以进一步看到,体积的计算大多结合二力平衡知识,这种命题的方式还将继续延伸下去。

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