初中物理阿基米德原理的应用实验题

弹簧测力计下悬挂一个 $0.32\mathit{kg}$的重物，把重物完全浸没在水中时，弹簧测力计的示数如图所示， $(g$取 $10N/\mathit{kg})$。

（1）弹簧测力计的示数为　       　 $N$。

（2）重物完全浸没在水中时受到的浮力为　       　 $N$。

（3）重物的密度为　       　 $\mathit{kg}/m^3$。

某学习小组想测量一块形状不规则的小矿石的密度，他们手边只有以下器材：

天平一台，但没有砝码两个质量相近的烧杯量筒（其内径略小于矿石块的尺寸，无法将石块直接放入其中）

细线、滴管和足量的水（已知水的密度为 ${\rho }_{水})$，该小组利用上述器材设计了如下实验方案，请你帮助他们完善方案。

实验方案（主要实验步骤） $:$

（1）将两个烧杯分别放入天平的两个托盘上，各注入适量的水（保证后面的操作中水均不会从烧杯溢出），使天平平衡。如果在后面的步骤中要将矿石块放到左盘上的烧杯内，则对左盘烧杯的注水量还应有何要求：　　。

（2）向量筒中加入适量的水，记下体积 $V_1$。

（3）手提细线吊住矿石块，将它浸没在左盘的烧杯中，且不与烧杯接触，用滴管将量筒中的水滴入　　盘的烧杯中，直到天平平衡。

（4）记下此时量筒中剩余水的体积 $V_2$．矿石块所受浮力 $F_{浮}=$　　。

（5）　　，再用滴管将量筒中的水滴入右盘的烧杯中，直到天平平衡。

（6）记下量筒中最后剩余水的体积 $V_3$。

（7）矿石块的密度 $\rho =$　　。

小敏同学参加研学旅行时，在湖边捡到一块漂亮的小石块，她用家中常见物品与刻度尺巧妙地测出了小石块的密度，她的测量方案如下：

①用细绳将一直杆悬挂，调节至水平位置平衡，记下细绳在直杆上的结点位置 $O$；

②将一重物悬于结点 $O$左侧的 $A$点，小石块悬于结点 $O$的右侧，调整小石块的位置，如图所示，当小石块悬于 $B$点时，直杆在水平位置平衡；

③用刻度尺测量 $\mathit{OA}$的长度为 $L_1$， $\mathit{OB}$的长度为 $L_2$；

④保持重物的悬点位置 $A$不变，将结点 $O$右侧的小石块浸没在盛水的杯中（且未与杯底、杯壁接触），调整小石块的悬点位置，当小石块悬于 $C$点时，直杆在水平位置平衡；

⑤用刻度尺测量 $\mathit{OC}$的长度为 $L_3$。

请根据她的测量方案回答以下问题

（1）实验中三次调节了直杆在水平位置平衡。其中，第一次调节水平平衡是　　，第二次调节水平平衡是　　；（选填“ $a$”或“ $b$” $)$

$a$．消除直杆自重的影响 $b$．便于测量力臂

（2）实验中长度　　（选填“ $L_1$”、“ $L_2$”或“ $L_3$” $)$的测量是多余的；

（3） $C$点应该在 $B$点的　　（选填“左”或“右” $)$侧；

（4）小石块密度的表达式为 $\rho =$　　（选用字母 ${\rho }_{水}$、 $L_1$、 $L_2$、 $L_3$表示）。

小晨设计了一个实验，用排水法测某实心金属块的密度。实验器材有小空桶、溢水烧杯、量筒和水。实验步骤如下：

①让小空筒漂浮在盛满水的溢水杯中，如图甲；

②将金属块浸没在水中，测得溢出水的体积为20毫升，如图乙；

③将烧杯中20毫升水倒掉，从水中取出金属块，如图丙；

④将金属块放入小空筒，小空筒仍漂浮在水面，测得此时溢出水的体积为44毫升，如图丁。

请回答下列问题：

（1）被测金属块的密度是　　克 $/$厘米 ${}^3$。

（2）在实验步骤③和④中，将沾有水的金属块放入小空筒，测出的金属块密度将　　（选填“偏大”、“不变”或“偏小” $)$。

关于深海的探究，对一个国家的国防和经济建设都有很重要的意义，我国在这一领域的研究也处于世界领先水平。如图是我们自行研制的水下智能潜航器，其外形与潜艇相似，相关参数为：体积 $2m^3$、质量 $1500\mathit{kg}$，最大下潜深度 $5000m$，最大下潜速度 $10\mathit{km}/h$（不考虑海水密度变化，密度 $\rho$取 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg})$。求：

（1）某次执行任务，当潜航器下潜到最大深度时所受的海水压强。

（2）潜航器以最大下潜速度匀速竖直下潜至最大深度所用的时间。

（3）潜航器任务完成后，变为自重时静止漂浮在海面上，此时露出海面体积。

某同学要测量一块密度为 $\rho =7.8\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$的铁块的质量。

（1）他把天平放在水平桌面上，将游码移到标尺左端零刻度线处，如果天平指针偏左，应该向　     　（填“左”或“右”）调节平衡螺母。

（2）称量时天平平衡后，放在右盘中的砝码与游码位置如图所示，则铁块的质量为　　 $g$，体积为　      　 $c{m}^3$。

（3）如果把此铁块挂在弹簧测力计下浸没在水中，弹簧测力计对铁块的拉力为　　 $N$． $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

某同学准备用弹簧测力计、烧杯、水、吸盘、滑轮、细线来测量木块（不吸水）的密度。

（1）在弹性限度内，弹簧受到的拉力越大，弹簧的伸长量就越　      　。

（2）如图甲所示，木块所受的重力为　     　 $N$。

（3）如图乙所示，将滑轮的轴固定在吸盘的挂钧上，挤出吸盘内部的空气，吸盘在　 　的作用下被紧紧压在烧杯底部。如图丙所示，在烧杯中倒入适量的水，用细线将木块栓住，通过弹簧测力计将木块全部拉入水中，此时弹簧测力计示数为 $0.4N$，如果不计摩擦和细线重，木块受到的浮力为　    　 $N$，木块的密度为　　   $\mathit{kg}/m^3$． $\left({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

（4）如果将图丙烧杯中的水换成另一种液体，重复上述实验，此时弹簧测力计示数为 $0.2N$，则该液体的密度为　     　 $\mathit{kg}/m^3$。

将一只手的食指浸入水中，你会感受到浮力的作用。你想知道食指所受的浮力大小吗？请从如图所提供的实验器材中选择合理的实验器材，设计出两种测出你的食指受到浮力的实验方案，并完成填空。（已知水的密度为 ${\rho }_{水})$

方案一：

（1）写出你需要测量的物理量及其符号：　　。

（2）食指所受浮力大小的表达式为： $F_{浮}=$　　。

方案二：

（1）写出你需要测量的物理量及其符号：　　。

（2）食指所受浮力大小的表达式为： $F_{浮}=$　　。

如图甲是小明设计的“空气浮力演示器”：将一空心金属球与配重通过细线悬挂在定滑轮上，调节配重质量使二者保持静止，用气泵往玻璃容器内缓慢压入空气，可根据现象证明空气浮力的存在。已知金属球重5牛，体积为 $5\times {10}^{-3}$米 ${}^3$．（滑轮和细线的重力、配重的体积及各种摩擦均忽略不计）

（1）用气泵向甲装置玻璃容器内压入空气，观察到什么现象可以说明金属球受到空气浮力的作用？　　。

（2）制作该演示器中的空心金属球，用了体积为 $5\times {10}^{-5}$米 ${}^3$的金属材料求该金属材料的密度。

（3）小明想通过最小刻度为0.1牛的弹簧测力计反映空气浮力大小的变化，他设想将该演示器改进成如图乙所示装置。压入空气前，容器内原有的空气密度为1.2千克 $/$米 ${}^3$，现通过气泵向玻璃容器内压入空气，使容器内空气密度增大到3.0千克 $/$米 ${}^3$，能否使演示器中的弹簧测力计示数变化值大于0.1牛，请通过计算说明。

气体的密度与压强有关。为测量实验室内空气的密度，小明在实验室按如图所示步骤进行实验：

①如图甲，将一打足气的足球，放入装满水的容器中，测得溢出水的体积为426毫升。

②如图乙，将500毫升装满水的量筒倒置于水槽中，用气针和乳胶管将足球中的气体慢慢排入该量筒，同时调整量筒的位置，当量筒内外水面都与500毫升刻度线相平时，停止排气。共排气10次。

③如图丙，拔除气针和乳胶管，把排气后的足球放入装满水的容器中，测得溢出水的体积为420毫升。

（1）图乙中，当量筒内外水面都与500毫升刻度线相平时停止排气，其目的是　　。

（2）根据测得的数据，计算实验室中空气的密度。

归纳与演绎是科学学习中非常重要的科学方法，下表是兴趣小组归纳“根据 $\rho =\frac{m}{V}$，运用浮力知识间接测量固体密度”的方法，请回答：

方法	实验器材	操作过程	思维过程	数据处理	适用范围
一	弹簧测力计 烧杯 水		$\because m=\frac{G}{g}{V}_{物}=V_{浮}=\frac{F_{浮}}{{\rho }_{水}g}$ $\therefore {\rho }_{物}=\frac{m_{物}}{V_{物}}=\frac{G}{F_{浮}}{\rho }_{水}=\frac{F_1}{F_1-F_2}{\rho }_{水}$	（1） ${\rho }_{物}=$　 $3\times {10}^3$　 千克 $/$米 ${}^3$	${\rho }_{物}>{\rho }_{液}$
二	量筒 细铁丝 水		$\dots \dots$ （2） ${\rho }_{物}=$　　 （用 $V_1$、 $V_2$、 $V_3$、 ${\rho }_{水}$表示）	$\dots \dots$	${\rho }_{物}<{\rho }_{液}$

归纳与演绎是科学学习中非常重要的科学方法，下表是兴趣小组归纳“根据 $\rho =\frac{m}{V}$，运用浮力知识间接测量固体密度”的方法，请回答：

方法	实验器材	操作过程	思维过程	数据处理	适用范围
一	弹簧测力计 烧杯 水		$\because m=\frac{G}{g}{V}_{物}=V_{浮}=\frac{F_{浮}}{{\rho }_{水}g}$ $\therefore {\rho }_{物}=\frac{m_{物}}{V_{物}}=\frac{G}{F_{浮}}{\rho }_{水}=\frac{F_1}{F_1-F_2}{\rho }_{水}$	（1） ${\rho }_{物}=$　 $3\times {10}^3$　 千克 $/$米 ${}^3$	${\rho }_{物}>{\rho }_{液}$
二	量筒 细铁丝 水		$\dots \dots$ （2） ${\rho }_{物}=$　　 （用 $V_1$、 $V_2$、 $V_3$、 ${\rho }_{水}$表示）	$\dots \dots$	${\rho }_{物}<{\rho }_{液}$

小明学习了浮力知识后，利用家中的物品做了几个小实验。

（1）小明把小萝卜放入水中，小萝卜漂浮在水面上，此时它受到的浮力为 $F_{浮}$，重力是 $G_{萝}$，那么 $F_{浮}$　       　 $G_{萝}$（选填“ $>$”、“ $<$”或“ $=$” $)$。

（2）小明把小萝卜从水里捞出擦干，再放入足够多的白酒中，小萝卜沉底了，此时排开白酒的体积 $V$排与小萝卜的体积 $V_{萝}$的关系是 $V_{排}$　     　 $V_{萝}$（选填“ $>$”、“ $<$”或“ $=$”）。

（3）小明还想测量小萝卜的密度，于是找来一个圆柱形茶杯、刻度尺和记号笔。具体做法如下：

①如图甲所示，在茶杯中倒入适量的水，在水面处用记号笔做好标记，用刻度尺测量出水面到茶杯底的竖直距离为 $h_0$；

②如图乙所示，将小萝卜轻轻地放入水中静止后，用刻度尺测量出此时的水面到茶杯底的竖直距离为 $h_1$；

③将茶杯中的水全部倒出，取出小萝卜擦干，再向杯中慢慢地倒入白酒直至　     　为止；

④如图丙所示，将小萝卜轻轻地放入白酒中静止后，用刻度尺测量出此时的白酒液面到茶杯底的竖直距离为 $h_2$。

（4）水的密度用 ${\rho }_{水}$来表示，请你用 ${\rho }_{水}$、 $h_0$、 $h_1$、 $h_2$写出小萝卜的密度表达式 ${\rho }_{萝}=$　         　。

下面是珠珠同学测量物体密度的实验

（1）请你将测量合金球密度”的实验过程补充完整。

①把天平放在水平台上，游码放在标尺左端的　     　处，再将平衡螺母向左调节可使天平平衡，说明游码刚归零时，指针静止时指在分度盘中线的　   　（填“左”或“右”）侧

②如图甲用天平测出合金球的质量为　     　g。

③珠珠将合金球放入装有40mL水的量筒中，水面上升到图乙所示的位置，由以上数据可知，该合金球的密度为　            　kg/m³。

（2）实验后，珠珠又邀请爽爽一起测量台球的密度（已知ρ_台球＞ρ_水），天平被其他小组借走了，台球又放不进量筒中，于是他们找到如图丙所示盛有水的玻璃容器，并借助保鲜盒、细线和记号笔，设计了如下实验步骤

①将空保鲜盒放在容器中，使其竖直漂浮在水面上，标记出水面的位置；

②将台球放入保鲜盒中，使其竖直漂浮在水面上，标记出水面的位置；

③用细线拴住台球，将台球浸没在水中（保鲜盒仍然漂浮），标记出水面的位置；图中A、B、C是爽爽标记的水面位置，其中　    　点是步骤②的标记点；

④将保鲜盒和台球取出，向玻璃容器中加水至标记点C；

⑤打开阀门向量筒中放水，待水面下降到B点时，读出量筒中水的体积V₁，继续向这个量筒中放水，待水面下降到A点时，再次读出量筒中水的体积V₂；

⑥台球的密度ρ_台球＝         　（用字母表示，已知水的密度为ρ_水）。

小晴在沙滩上捡到一小块鹅卵石，想用学过的浮力知识测量它的密度，于是把它拿到了实验室。

（1）她设计了用弹簧测力计、烧杯、水、细线测量的方案如下：

a．用细线将鹅卵石系在弹簧测力计下，测出鹅卵石的重力，记为G。

b．在烧杯内装入适量水，并用弹簧测力计提着鹅卵石，使它浸没在水中，记下弹簧测力计的示数F。

c．鹅卵石密度的表达式为ρ_石＝           　（用G、F和ρ_水表示）。

（2）在用弹簧测力计测量鹅卵石的重力时，出现了如图甲所示的现象，使得她放弃了这个方案，她放弃的理由是　                                                　。

（3）她在老师指导下重新设计了用天平、烧杯、水、细线测量鹅卵石密度的方案，并进行了测量。

a．将天平放在水平台上，把游码放到标尺　             　处，当指针静止时如图乙所示，此时应将平衡螺母向　      　（选填“左”或右”）调节，直到横梁平衡。

b．用天平测量鹅卵石的质量，天平平衡时，砝码质量和游码位置如图丙所示，则鹅卵石的质量为　      　g。

c．在烧杯内装入适量的水，用天平测量烧杯和水的总质量为60g。

d．如图丁所示，使烧杯仍在天平左盘，用细线系着鹅卵石，并使其悬在烧杯里的水中，当天平平衡时，天平的示数为68.8g。则鹅卵石的体积为　      　cm³，鹅卵石的密度为　       　g/cm³．（结果保留一位小数，ρ_水＝10×10³kg/m³）