Question

初中物理中考压轴题及解析

Answer 1

例1、边长1dm的正方形铝块，浸没在水中，它的上表面离水面20cm，求铝块受的浮力？（ρ铝=2.7×103kg/m3）
解法一：上表面受到水的压强：
P上=ρ水gh上=1.0×103kg/m3×9.8N/kg×0.2m=1.96×103Pa
上表面受到水的压力
F向下=P上?S=1.96×103Pa×0.01m2=19.6N
下表面受到水的压强
P下=ρ水gh下=1.0×103kg/m3×9.8N/kg×0.3m=2.94×103Pa
下表面受到水的压力
F向上=P下?S=2.94×103Pa×0.01m2=29.4N
铝块所受浮力
F浮=F向上－F向下=29.4N－19.6N=9.8N

解法二：V排=V物=(0.1m)3=10－3m3
F浮=ρ水gV排=1.0×103kg/m3×9.8N/kg×10－3m3=9.8N
答案：铝块所受浮力是9.8N。
说明：
（1）解法一适用于规则物体，解法二说明浮力大小只与ρ液、V排有关，与物体密度和深度无关。
（2）题中铝块密度是多余条件，用以检验对阿基米德原理的理解。
若误将ρ铝、代入公式，求出的将是物体重力。
在用公式求浮力时，要在字母右下方加上脚标。

例2、容积为1000m3的氢气球，吊篮和球壳的质量为150kg，在空气密度1.29kg/m3的条件下，这气球能载多少吨的物体停留在空中？现在需要载900kg的物体而保持平衡，应放掉多少立方米的氢气？（氢气密度为0.09kg/m3）．
解析：由阿基米德原理可知，气球受到的浮力为：
F浮＝ρgV＝1.29kg/m3×9.8N/kg×103m3＝1.264×104N
分析它们的受力，气球能载的物重应是浮力与它自身重量之差：
即在空中能载的物重为：G1＝F浮－G＝1.264×104N－150×9.8N＝11.17×103N
它的质量为：
它现在多载的物体的质量为：△m＝1140kg－900kg＝240kg
即：△F＝240×9.8N＝2352N
这一个力也是由气球产生的浮力，如果放掉了一部分的氢气后，体积变小浮力也变小，所以应放掉的氢气体积为：

例3、如图3所示，底面积为80cm2的容器中盛有深30cm的水。将一质量为540g的实心铝球投入水中。问：
（1）铝球浸没在水中时受到的浮力是多大？
（2）投入铝球后，水对容器底部的压强增加了多少？
（3）若用一根最多能承受4N拉力的细绳系住铝球缓慢向上拉，当铝球露出水面的体积为多大时绳子会拉断？（已知ρ铝=2.7×103kg/m3，取g=10N/kg）。
解析：（1）根据阿基米德原理，铝球在水中受到的浮力为F浮=ρ水?g?V排
由题意可知，V排= ，得V排=0.2×10－3m3
所以，F浮=1×103kg/m3×10N/kg×0.2×10－3m3=2N

（2）设投入铝球后水面上升的高度为H，则：
H=V/S=0.2×103m3/80×10－4m2=0.025m
水对容器底部增加的压强是：
P=ρ水?g?H=1×103kg/m－3×10N/kg×0.025m=2.5×102Pa

（3）设当铝球露出水面的体积为V露时，绳子会断，此时的浮力为F浮'，则：F浮'=G－F拉
即ρ水?g?V排'= G－F拉
V排'= =1.4×10－4m3
V露=V－V排'=0.2×10－3m3－1.4×10－4m3=0.6×10－4m3

例4、如图4所示的直筒形容器的底面积为100cm2，筒内有用密度不同的材料制成的a、b两实心小球。已知a球的体积为80cm3，是b球体积的3.4倍。两球用细线相连能悬浮在水中。现剪断细线，a球上浮，稳定后水对容器底的压强变化了40Pa。试求：
（1） 细线被剪断前后水面的高度差。
（2） a、b两球的密度。（本题g取近似值10N/kg）
解析：
（1）分析容器底部的压强变化的原因，是因为剪断细线后，a球上浮，由悬浮变为了漂浮，排开水的体积变小，液面下降，由p=ρgh可知应有：Δp=ρgΔh
故液面下降高度为：Δh= =0.004（m）=0.4（cm）

（2）经分析可知a球露出水面的体积应为液体下降的体积，所以，a球漂浮时露出部分的体积V露=ΔhS=0.4×100=40（cm3）
此后球排开水的体积为：V排=Va－V露= Va
应用阿基米德原理，对a来考虑，a球漂浮时有：ρ水gV排=ρagVa，故，ρa= ρ水=0.5×103kg/m3
把a、b看作一个整体来考虑，a、b一起悬浮时有：ρ水g（Va+Vb）=ρagVa+ρbgVb
将Va=3.4Vb代入解得：ρb=4.4ρ水－3.4ρa=2.7×103kg/m3
说明：例3与例4都是浮力与压强结合的题目，解这一类问题时，一定要抓住液体压强的变化，是因为液体中的物体浮力发生了变化，引起液体的深度的变化，才引起了压强的变化。另外 ,例4还有一个整体与局部的关系。

例5、一木块在水中静止时，有13.5cm3的体积露出水面，若将体积为5cm的金属块放在木块上，木块刚好全部浸在水中，求：金属块密度？
解析：这是两个不同状态下的浮力问题，分析步骤是：

（1）确定木块为研究对象，第一个状态是木块漂浮在水面，第二个状态是木块浸没水中，金属块与木块作为整体漂浮在水面。
（2）分析木块受力，画出力的示意图。
（3）根据力的平衡原理列方程求解：
甲图中：F浮=G木…………(1)
乙图中：F浮'=G木+G金…………(2)
(2)式－(1)式得：F浮'－ F浮= G金
代入公式后得：ρ水gV木－ρ水g（V木－V露）=ρ金gV金
ρ水V露=ρ金V金
ρ金= ?ρ水= ×1.0×103kg/m3=2.7×103kg/m3
答案：金属块的密度是2.7×103kg/m3。
说明：
（1）涉及两种物理状态下的浮力问题，往往要对两个不同状态下的物体分别进行受力分析，再根据力的平衡原理列出两个方程，并通过解方程求出结果来。
（2）本题的另一种解法是：木块增大的浮力等于金属块重，即ΔF浮=G金，
代入公式：ρ水gΔV排=ρ金gV金
其中ΔV排=13.5cm3，（它等于没有放上金属块时木块露出水面的体积。）代入数据后：1.0g/cm3×13.5cm3=ρ金×5cm3
ρ金=2.7g/cm3=2.7×103kg/m3
变换角度分析问题可以提高思维能力。

*例6、如图，一只盛有水的大瓷碗内放一根粗细和质量都均匀，长度为L的木直尺，搁在碗沿上静止．尺子的1/4浸在水中，1/4在碗沿外.求尺子的密度．
解析：分析尺子的受力情况是受三个力的作用：重力G、浮力F浮、碗边对尺子的支持力N，如图所示，其中支持力N是通过支点的，对转动没有意义。根据杠杆平衡的条件可知：G×OB=F浮×OA……⑴
设尺子的密度为ρ，横载面积为S，则：G=ρgSL……⑵，
由阿基米德原理，它受到的浮力为：F浮=ρ水gS（L/4）……⑶
再由△AOD∽△BOF得： ………⑷
故由⑵⑶⑷联合⑴解得：ρ=5ρ水/8=0.625×103kg/m3

例7、一木块浮于足够高的圆柱形盛水容器中，如图7所示，它浸入水中部分的体积是75cm3，它在水面上的部分是25cm3。（g取10N/kg）求：
（1）木块受到的浮力；
（2）木块的密度；
*（3）若未投入木块时，水对容器底部的压力为F0。试分别表示出木块漂浮时、木块浸没时，水对容器底部的压力F1和F2；
*（4）从未投入木块到漂浮，从漂浮到浸没的三个状态中，水对容器底部第二次增加的压力为木块浸没时水对容器底部压力的n分之一，求n的取值范围。
解析：设木块在水面上的体积为V1，浸入水中体积为V2。
（1）由阿基米德原理：F浮=ρ水gV排
即：F浮=ρ水gV2=103×10×75×10N－6N=0.75N

（2）由二力的平衡：F浮=G木，又因G木=ρ木V木g
所以ρ木= = =0.75×103kg/m3

（3）考虑到容器为圆柱形，木块漂浮时，水对容器底部压力为F1，F1=F0+ρ水gV2
木块浸没时，水对容器底部压力为F2，F2=F0+ρ水g（V1+V2）

（4）水对容器底部第二次增加的压力为F'，F'=F2－F1=ρ水gV1
据题意有：
n=
因为，F0>0，则，n>4。

Answer 2

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Answer 3

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Answer 4

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