初中物理阿基米德原理的应用综合题

图甲是我国首艘国产航母 $-001A$型航空母舰，它属于中型常规动力航母。该航母满载时的总质量为 $7\times {10}^{4}t$，航母上配置了滑跃式起飞的歼 $-15$舰载机，每架舰载机的质量为 $30t$，舰载机与航母甲板的总接触面积为 $6000c{m}^2$．2018年5月13日该航母再次下水进行试航，航母在 $10\mathit{min}$内航行了 $6\mathit{km}$。如图乙所示是该航母试航过程中牵引力 $F$与航行速度 $\nu$的关系图象。 $\left({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

试计算：

（1）航母试航时的平均速度是多少？

（2）航母满载时排开水的体积是多少？

（3）每架舰载机对航母甲板的压强是多少？

（4）试航过程中，航母的牵引力所做的功是多少？

上海洋山港是全球最大的智能集装箱码头，图甲是将我国自行研制的大型桥吊从运输船上转运到正在建设中的洋山港码头时的情景。桥吊是码头上进行货物装卸的起重机，其简化示意图如图甲中所示，它由控制室、水平横梁 $\mathit{AB}$以及两个竖直的支架 $\mathit{CD}$和 $\mathit{EF}$组成。运输船中不同位置有数个密封的水舱，向这些水舱加水或减水，能保证牵引车将桥吊从运输船转运到码头的过程中，运输船的甲板始终保持水平且与码头的地面相平。

（1）牵引车将桥吊缓缓向右拖向码头时，支架 $\mathit{CD}$和 $\mathit{EF}$下的轮子会沿顺时针方向转动，请在图乙中画出支架 $\mathit{CD}$下的轮子对运输船甲板摩擦力的示意图。

（2）若牵引车拖行桥吊的功率是 $50\mathit{kW}$， $9s$内将桥吊沿水平方向匀速拖行了 $3m$，则这段时间内牵引车对钢缆的拉力是多少牛？

（3）已知桥吊的总质量是 $2200t$，支架 $\mathit{CD}$和 $\mathit{EF}$的高度均是 $50m$， $C$点到横梁 $A$端的距离是 $60m$， $E$点到横梁 $B$端的距离是 $18m$，桥吊的重心 $O$到横梁 $A$端和 $B$端的距离分别是 $72m$和 $28m$。试求牵引车将桥吊从图甲所示的位置拖到图丙所示的位置时，运输船的水舱中增加了多少立方米的水？

我国正在研制的新一代“蛟龙号”深海探测器，目标探测深度 $11000m$，该深海探测器的全重为 $28t$。

（1）如果该深海探测器在未来的某一天来到大洋最深处马里亚纳海沟探测，下潜至某一深度处时，处于正上方海面处的科考船用声呐装置向“蛟龙号”发射声波，若从发出至接收到所用时间为 $12s$，则“蛟龙号”的实际下潜深度为多少米（已知声音在海水中的传播速度为 $1500m/s)$；

（2）若海面处的大气压为 $1.0\times {10}^5\mathit{Pa}$，海水密度为 $1.03\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，则“蛟龙号”下潜至 $11000m$时，所在位置处的压强为多少；

（3）若（1）问中“蛟龙号”处于悬浮状态，“蛟龙号”除空气仓部分的平均密度为 $7.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，试计算“蛟龙号”空气仓的体积（空气仓中的空气质量不计）。

2017年5月30日，“蛟龙号”载人潜水器在世界最深的马里亚纳海沟进行了本年度的第4潜，当地时间7时03分开始下潜，10时21分抵达预定 $6700m$深处，近距离在该深度处拍摄到了狮子鱼游弋的影像，获取到了基岩蚀变岩石、沉积物、生物和近底海水样品，已知“蛟龙号”的总体积为 $84m^3$． $({\rho }_{\mathit{海水}}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g=10N/\mathit{kg})$

据此计算：

（1）“蛟龙号”潜水器下潜的速度为多大？（结果保留两位小数）

（2）“蛟龙号”潜水器未向水舱充水时的总质量为 $22t$，并且漂浮于海面上，求此时它排开海水的体积是多少？欲使“蛟龙号”完全浸没，至少应向水舱中充多少吨海水？

（3）狮子鱼头部上表面 $1\times {10}^{-4}{m}^2$的面积上受到的海水压力是多大？

（4）若将获取到的岩石样品取一小块，用天平和量筒测出它的质量和体积如图所示，则该岩石的密度为多少千克每立方米？

如图甲所示，一弹簧测力计下挂一圆柱体，将圆柱体从水面上方某一高度处匀速下降，然后将圆柱体逐渐浸入水中。整个过程中弹簧测力计的示数 $F$与圆柱体下降高度 $h$关系如图乙所示。 $(g=10N/\mathit{kg}$；水的密度约为 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3)$

求：

（1）圆柱体的重力；

（2）当圆柱体刚好全部浸没时，下表面受到的水的压强；

（3）圆柱体的密度。

如图甲所示是一种家庭水箱水位测量装置示意图，电源电压 $18V$保持不变，电压表量程 $0-15V$，电流表量程 $0-3A$， $R_0$是阻值为 $10\Omega$的定值电阻， $R_1$是长 $20\mathit{cm}$、阻值为 $20\Omega$的电阻丝，滑片 $P$把电阻丝与轻质弹簧的指针连在一起。圆柱体 $M$长 $80\mathit{cm}$，底面积为 $200c{m}^2$．当水位处于最高处时， $M$刚好浸没在水中，滑片 $P$恰好在 $R_1$的最上端。轻质弹簧阻值不计， $M$全部露出水面前，弹簧的伸长长度△ $L$始终与受到的拉力 $F$成正比，如图乙所示。

（1）当水位下降时，电路中示数会随之减小的电表是　　。

（2）当水位处于最高处时，电压表的示数为多少？

（3）当水位下降，圆柱体露出水面部分的长度为 $50\mathit{cm}$时，电流表示数为多少？ $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

某实验小组在研究某种物质的属性时，日常需将物体浸没在煤油中保存，将体积为 $1\times {10}^{-3}{m}^3$、重 $6N$的该物体用细线系在底面积为 $250c{m}^2$的圆柱形容器的底部，物体浸没在煤油中，如图所示， $\left(g=10N/\mathit{kg},{\rho }_{\mathit{煤油}}=0.8\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$

（1）细线受到的拉力是多大？

（2）若细线与物体脱落，待物体静止后煤油对容器底的压强变化了多少？

把一棱长为 $10\mathit{cm}$，质量为 $8\mathit{kg}$的正方体实心金属块，放入水平放置装水的平底圆柱形容器中。如图甲所示，金属块下沉后静止在容器底部（金属块与容器底部并未紧密接触），水的密度是 $1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg}$。求：

（1）金属块的密度；

（2）金属块受到的浮力；

（3）金属块对容器底部的压强；

（4）若用图乙所示的滑轮组，把金属块在水中匀速提升 $30\mathit{cm}$（金属块未露出水面，忽略水对物体的阻力），此过程滑轮组的机械效率为 $70\%$，那么绳子自由端的拉力 $F$大小是多少？

如图，均匀圆柱体A的底面积为6×10 ^{﹣ 3}m ²，圆柱形薄壁容器B的质量为0.3kg、底面积为3×10 ^{﹣ 3}m ²、内壁高为0.7m。把A、B置于水平地面上。已知A的密度为1.5×10 ³kg/m ³，B中盛有1.5kg的水。

（1）若A的体积为4×10 ^{﹣ 3}m ³，求A对水平地面的压力；

（2）求容器B对水平地面的压强；

（3）现将另一物体甲分别放在A的上面和浸没在B容器的水中（水未溢出），A对地面压强的变化量与B中水对容器底压强的变化量相等。

求：①物体甲的密度

②物体甲在B容器中受到的最大浮力。

图甲是某起重船的示意图，A处为卷扬机，吊臂前端滑轮组如图乙所示。在一次吊装施工中，当起重船从运输船上吊起重物时，起重船浸入海水中的体积增加了18m ³，重物在空中匀速竖直上升了3m，所用时间为30s。已知动滑轮总重为2×10 ⁴N，不计钢丝绳重及摩擦。（ρ _海水＝1.0×10 ³kg/m ³）

（1）求该重物的重力是多少？

（2）求钢丝绳拉力F做功的功率是多少？

（3）求该重物在空中匀速上升过程中滑轮组的机械效率。

阅读下列短文，回答问题。

可燃冰

可燃冰是一种新型能源，主要成分是甲烷和水，分布在深海沉积物里或陆域的永久冻土中，如图所示。可燃冰形似冰块却能燃烧，燃烧后几乎不产生任何残渣。1m ³的可燃冰分解后可释放出约0.8m ³的水和164m ³的天然气，天然气中甲烷的含量占80%～99.9%。

可燃冰的生成有三个基本条件：首先要求低温，可燃冰在0﹣10℃时生成，超过20℃便会分解，海底温度一般保持在2～4℃左右；其次是高压，可燃冰在0℃时，只需海水产生29个标准大气压即可生成，而以海洋的深度，此高压容易保证；最后是充足的气源，海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。在温度、压强、气源三者都具备的条件下，可燃冰就会生成。

请回答下列问题：[1个标准大气压取1×10 ⁵Pa，海水的密度取1×10 ³kg/m ³，g取10N/kg。c _水＝4.2×10 ³J/（kg•℃），甲烷的热值取4.2×10 ⁷J/m ³]

（1）可燃冰的主要成分是 　       　。

（2）若要在0℃的海底生成可燃冰，海水的深度至少要 　        　m。

（3）如图所示，海底上有一块体积为100m ³且底部与海底紧密相连的可燃冰A，其受到海水的浮力为 　     　N。

（4）0.5m ³的可燃冰分解后，其中的甲烷完全燃烧放出的热量，在标准大气压下，至少可以将质量为 　      　kg温度为20℃的水加热至沸腾。

横截面积均为S＝1cm ²的物体A与塑料B粘合成一个粘合体，全长为l＝50cm，粘合体放入水中时漂浮在水面，浸入水中的长度为 $\frac{4}{5}l$ ，如图所示，现将浮出水面部分切掉，以后每浮出水面一部分，稳定后就把它切掉。已知ρ _水＝1.0×10 ³kg/m ³，ρ _B＝0.4×10 ³kg/m ³，g取10N/kg。求：

（1）粘合体未被切前，A底面受到水的压强；

（2）粘合体未被切前的总质量；

（3）第一次切掉后，稳定时浸入水中的长度；

（4）第四次切掉后，稳定时浮出水面部分的长度。

如图甲所示，一个底面积为75cm ²的柱形物体A挂在弹簧测力计下，静止时弹簧测力计的示数F ₁＝15N：底面积为120cm ²且足够深的柱形容器放在水平桌面上，将物体A放入容器中且与容器底接触但对容器无压力，慢慢向容器注水，待液面稳定后物体A上表面到水面的距离h＝5cm，如图乙所示，此时弹簧测力计示数F ₂＝7.5N；然后，将物体A竖直向上移动8cm（忽略绳重和附在物体表面上水的重力，ρ _水＝1.0×10 ³kg/m ³，g＝10N/kg）求：

（1）物体A浸没在水中受到的浮力；

（2）物体A的密度；

（3）物体A竖直向上移动8cm前后，水对容器底压强的变化量。

“贵阳至南宁高速铁路”项目于2016年12月开工，全线长约512km，设计最高行车速度达350km/h。该高铁线途径河池市的环江、金城江、都安等地，预计2021年正适通车运行，通车后河池市将步入高铁时代。建设中用到的某种起重机的结构示意图如图所示，用该起重机将放在水平地面上的长方体混凝土墩放入水中。起重机的吊臂OAB粗细不计，可以看作杠杆，吊臂B端连着滑轮组，已知混凝土墩的密度为2.5×10³kg/m³、底面积为4m²、高为2m，ρ_水＝1.0×10³kg/m³．求：

（1）混凝土墩的质量；

（2）混凝土墩被提起到最高点静止时，立柱CA恰好竖直，OA：OB＝1：6．若忽略滑轮组、钢丝绳和吊臂的重力及各种摩擦，则起重机立柱CA对吊臂A点竖直向上的作用力是多少N。

（3）混凝土浸没在水中后，它匀速下降过程中所受钢丝绳的拉力。（不计水的阻力）

经济建设中使用大量的机械设备，某种起重机结构如图所示，A处是动滑轮，B、O处是定滑轮，D是柱塞（起重时柱塞沿竖直DC方向对吊臂C点有支撑力），E是卷扬机。作用在动滑轮A上共有3股钢丝绳，卷扬机转动使钢丝绳带动动滑轮A提升重物，起重机的吊臂OCB可以看做杠杆，且OB：OC＝5：1，用该起重机将浸没在水中的长方体集装箱匀速提出（忽略水的阻力），放在水平地面上，集装箱质量为4×10 ⁴kg、底面积为10m ²、高为2m。（g取10N/kg，ρ _水＝1.0×10 ³kg/m ³）求：

（1）浸没在水中的集装箱受到的浮力；

（2）当集装箱放在水平地面上，起重机未对集装箱施力时，集装箱对地面的压强；

（3）若集装箱在水中被提升2m（没露出水面），集装箱受到的拉力所做的功；

（4）当集装箱被提起且仍浸没在水中时，若起重机立柱DC对吊臂C点竖直向上的作用力为2×10 ⁶N，起重机的滑轮组的机械效率。（吊臂、定滑轮、钢丝绳的重力以及轮与绳的摩擦不计）