初中物理阿基米德原理的应用解答题

某同学想测量一种液体的密度。他将适量的待测液体加入到圆柱形平底玻璃容器里，然后一起缓慢放入盛有水的水槽中。当容器下表面所处的深度 $h_1=10\mathit{cm}$ 时，容器处于直立漂浮状态，如图 $a$ 所示。已知容器的底面积 $S=25c{m}^2$ ， ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$ ， $g$ 取 $10N/\mathit{kg}$ 。

（1）求水对容器下表面的压强；

（2）求容器受到的浮力；

（3）从容器中取出 $100c{m}^3$ 的液体后，当容器下表面所处的深度 $h_2=6.8\mathit{cm}$ 时，容器又处于直立漂浮状态，如图 $b$ 所示。求液体的密度。

$75\%$的医用酒精可以有效灭活新型冠状病毒，小刚从网上购置了两瓶某品牌 $75\%$的医用酒精，说明书如图甲所示，小刚查到 $75\%$的医用酒精密度为 $0.87g/c{m}^3$，于是想通过测量该酒精的密度来鉴定其产品是否合格：

（1）小刚取适量该酒精进行实验：

①     为使测量结果更准确，以下实验操作步骤合理顺序是　　（用字母表示）。

$A$．计算酒精的密度

$B$．用天平测出烧杯的质量 $52.4g$

$C$．在烧杯中盛适量的酒精，用天平测出酒精和烧杯的总质量

$D$．调节天平平衡

$E$．将烧杯中的酒精倒入量筒中，读出其体积，如图乙所示

②测量酒精和烧杯总质量时，砝码和游码的位置如图丙所示。则总质量为　　 $g$，该酒精的密度是　　。

③根据测量结果，小刚能否鉴定该产品是否合格？并说明理由　　。

（2）在学完浮力的知识后，小刚又想到可以利用弹簧测力计，水、烧杯，细线和小石块来测量该酒精的密度。实验操作步骤如下：

$a$．用细线将小石块绑好，挂在弹簧测力计下，读出测力计示数 $F_1$

$b$．在烧杯中倒入适量的水，将小石块挂在弹簧测力计下使其浸没在水中，读出测力计示数 $F_2$

$c$．算出小石块的体积 $V_{石}$

$d$．在擦干水的烧杯中倒入适最的酒精，将已擦干的小石块挂在弹簧测力计下，使其浸没在酒精中，读出测力计示数 $F_3$

根据上述操作步骤，请你帮助小刚推导出该酒精密度 $\rho$的表达式为　　（表达式用测量量的字母表示，水的密度用 ${\rho }_{水}$表示，推导过程要有必要的文字说明）。

某电热加湿器具有防干烧功能，可在水量不足时自动停止工作，其工作原理如图所示；水箱中的加热器具有高、低两挡功率调节功能，其内部电路（未画出）由开关 $S$和阻值分别为 $121\Omega$和 $48.4\Omega$的电阻丝 $R_1$、 $R_2$组成。轻弹簧的下端固定在水箱底部，上端与一立方体浮块相连，浮块内有水平放置的磁铁。该加湿器为防干烧已设定：仅当浮块处于图中虚线位置时，固定在水箱侧壁处的磁控开关方能闭合而接通电路。

（1）当处于高功率挡时，加热器工作 $2.5\mathit{min}$所产生的热量全部被 $1\mathit{kg}$的水吸收后，水温升高了 ${50}^{°}\text{C}$．已知加热器处于低功率挡时的功率为 $400W$，电压 $U=220V$，水的比热容 $c_{水}=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}\right)$。

①求加热器处于高功率挡时的功率；

②请画出加热器内部电路。

（2）当向水箱内缓慢加水使浮块上升至图中虚线位置时，浮块下表面积距水箱底部的高度为 $20\mathit{cm}$，弹簧对浮块的弹力大小为 $6N$，浮块（含磁铁）的质量为 $0.4\mathit{kg}$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

①求浮块上升至虚线位置时排开水的体积；

②该加湿器所设定的防干烧最低水面距水箱底部的高度为　　 $\mathit{cm}$，理由是　　。

如图甲所示，不吸水的长方体物块放在底部水平的容器中，物块的质量为 $0.2\mathit{kg}$，物块的底面积为 $50c{m}^2$，物块与容器底部用一根质量、体积均忽略不计的细绳相连，当往容器中缓慢注水至如图乙所示位置，停止注水，此时，物块上表面距水面 $10\mathit{cm}$，绳子竖直拉直，物块水平静止，绳子的拉力为 $2N$．已知 ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g=10N/\mathit{kg}$。求：

（1）物块的重力；

（2）物块的密度；

（3）注水过程中，绳子刚好竖直拉直时到图乙所示位置时，水对物块下表面压强的变化范围。

如图所示是打捞物体的模拟装置。现电动机带动钢丝绳自由端以 $0.5m/s$的速度匀速拉动滑轮组，经过 $5\mathit{min}$将体积为 $0.1m^3$的物体由海底提升到海面，物体离开海面后钢丝绳自由端的速度变为 $0.49m/s$，此时电动机的输出功率比物体在海水中时增大了 $12\%$（不计物体的高度、绳重和摩擦， ${\rho }_{物}=7.6\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$， ${\rho }_{\mathit{海水}}$取 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3)$。求：

（1）物体浸没在海水中受到的浮力；

（2）物体在海底时的深度；

（3）物体在海底时受到海水的压强；

（4）物体在海面下匀速上升过程中，该滑轮组的机械效率（不计动滑轮体积）

如图所示，实心物体 $A$漂浮在水面上，现利用电动机通过滑轮组拉动 $A$，使 $A$向下运动。已知 $A$的体积为 $1m^3$，密度为 $0.5\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$．动滑轮重为 $1\times {10}^{3}N$，电动机工作时拉绳子的功率为 $1.2\times {10}^{3}W$且保持不变，不计绳重、摩擦和水的阻力，求：

（1） $A$的重力；

（2） $A$浸没在水中受到的浮力；

（3） $A$向下运动的最小速度；

（4） $A$向下运动过程中，滑轮组机械效率的最大值。

如图甲所示，滑轮组通过轻质弹簧悬挂于 $O$点，下端悬挂一柱形物体并浸没于装有水的柱形容器中，物体上表面恰好与水平面相平，绳子 $A$端固定，忽略滑轮重，绳重及摩擦。已知容器底面积为 $200c{m}^2$，水深 $20\mathit{cm}$，物体的底面积为 $100c{m}^2$，高为 $12\mathit{cm}$，重为 $24N$， ${\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。

（1）求水对容器底的压强；

（2）求水对物体的浮力大小；

（3）求弹簧所受拉力的大小；

（4）若要使柱形物体有 $\frac{3}{4}$的长度露出水面，需打开阀门 $K$放出多少 $\mathit{kg}$的水？（题中弹簧所受拉力 $F$与其伸长量△ $x$的关系如图乙所示）

如图所示，正方形物块边长为 $10\mathit{cm}$，漂浮于足够高的底面积为 $S_0$的盛有足量水的圆柱形容器中，有 $\frac{1}{5}$体积露出水面。 $g$取 $10N/\mathit{kg}$。求：

（1）该物块受到浮力；

（2）该物块的密度；

（3）若未投入物块时，水对容器底部的压力为 $F_0$．试求出物块漂浮时，水对容器底部的压力 $F_1$并求出物块浸没时水对容器底部的压强；

（4）若物块漂浮时与未投入物块时比较，水对容器底部的压强变化了 $200\mathit{Pa}$，物块浸没时与物块漂浮时水对容器底部的压力之比为 $30:29$，则未投入物块时容器中水的深度是多少？

兴趣小组自制液体密度计请选择其中一种方法完成计算，（两种都做，以方法一为准）

我选择方法 　　（一/二）完成计算

方法一：精确测量比水小的液体密度

步骤：

①取一上端开口的薄壁厚底玻璃筒，标有0～50mL体积刻度

②将空玻璃筒开口向上放入水中（ρ _水＝1×10 ³kg/m ³），玻璃筒竖直漂浮，向玻璃筒内加水至50mL刻度线时，在玻璃筒与外侧水面相平处做记号线

③将空玻璃筒开口向上放入酒精中（ρ _酒精＝0.8×10 ³kg/m ³），向玻璃筒内加水至30mL刻度线时，外侧酒精液面恰好与玻璃筒记号线重合

④将空玻璃筒开口向上放入待测液体中，向玻璃筒内加水至外侧待测液体液面与玻璃筒记号线重合，利用玻璃筒内水的体积刻度，可测得待测液体的密度。

g取10N/kg，问：

（1）每次实验，玻璃筒记号线与外侧液面相平时，其排开外侧液体的体积是多大？

（2）玻璃筒的重力有多大？

（3）该密度计能够测量的液体密度的最小值有多大？

方法二：精确测量比水大的液体密度

步骤：

①取一上端开口的薄壁厚底玻璃筒，标有0～50mL体积刻度

②将空玻璃筒开口向上放入水中（ρ _水＝1×10 ³kg/m ³），玻璃筒竖直漂浮，在玻璃筒与外侧水面相平处做记号线

③将空玻璃筒开口向上放入盐水中（ρ _盐水＝1.2×10 ³kg/m ³），向玻璃筒内加水至20mL刻度线时，外侧盐水液面恰好与玻璃筒记号线重合

④将空玻璃筒开口向上放入待测液体中，向玻璃筒内加水至外侧待测液体液面与玻璃筒记号线重合，利用玻璃筒内水的体积刻度，可测得待测液体的密度。

g取10N/kg，问：

（1）每次实验，玻璃筒记号线与外侧液面相平时，其排开外侧液体的体积是多大？

（2）玻璃筒的重力有多大？

（3）该密度计能够测量的液体密度的最大值有多大？