初中物理物体的浮沉条件及其应用综合题

2020年6月20日，我国自主设计和建造的“海斗号”载人潜水器，成功下潜到太平洋“马里亚纳海沟”10000米深处。创造了载人潜水器海水深潜的世界纪录。潜水器由双层船壳构成，外层与海水接触，外壳选择了钛合金作主材，潜水器在上浮和下潜时，其体积是一定的。潜水器近似可以看作长方体，其规格：长 $9m$、宽 $3m$、高 $3.4m$。该潜水器悬浮在海水中时总质量为 $25t$（海面大气压 $1.0\times {10}^5\mathit{Pa}$， $g=10N/\mathit{kg})$。

（1）假设海水密度不随深度变化，质量不变的潜水器在上浮且未浮出水面过程中，受到水的浮力　     　（选填“变大”、“变小”或“不变”）；

（2）“海斗号”悬浮在海水中，求所受到的浮力；

（3）载人潜水器在10000米深处，其上表面受到的压力约为 $2.78\times {10}^{9}N$，求海水的密度。

解放前，我国经济很落后，一些地区过着极其原始的生活。如图所示，就是为了解决饮水问题，需要到很远地方挑水的示意图。为了防止道路不好水溅出桶外，在水面上覆盖木板（如图），若一个木板质量为 $500g$，密度为 $0.8\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$，每个桶内水深 $30\mathit{cm}\left({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3\right)$，求：

（1）桶底受到的水产生的压强；

（2）一个木板受到的浮力及静止时露出水面的体积；

（3）扁担与绳质量忽略不计，扁担长度 $1.5m$，每桶水总重 $180N$，扁担与肩膀接触点距离扁担右端 $55\mathit{cm}$，支撑手距离扁担左端也是 $55\mathit{cm}$，则支撑手受到的扁担产生的压力。

有人说，水里的冰山融化后，水面会上升，你认为这种说法是否正确？请你用下面给出的图示，并用学过的知识进行正确解释（忽略热胀冷缩对水和冰的影响，已知冰和水的密度之比为 $0.9$），并得出正确结论。

取一根内部横截面积为1平方厘米的直筒形塑料管，在底部扎上橡皮膜后，称得质量为2克。向管内倒入10克液体，再将它放入水中。放手后，观察到橡皮膜恰好变平，如图所示（管壁厚可以忽略）。

请回答：

（1）气管内液体的密度　 　（选填”大于“”等于“或”小于“ $)$水的密度。

（2）水对塑料管底部橡皮膜产生的压强大小。

（3）装有液体的塑料管受到的浮力大小。

一人用桶从井里取水，已知桶的容积是 $6L$，空桶的质量是 $1.5\mathit{kg}$，忽略绳子的重力。 $({\rho }_{水}=1.0\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$、 $g=10N/\mathit{kg})$求：

（1）装满水后水的质量；

（2）用绳子把桶放到井里，进入一些水后，桶仍然漂浮在水中，此时它排开水的体积是 $3\times {10}^{-3}{m}^3$，桶受到的浮力；

（3）将一满桶水从桶底刚好离开水面开始匀速提高 $5m$，绳子的拉力做的功；

（4）提水的效率。

如图甲所示，一个底面积为 $4\times {10}^{-2}{m}^2$的薄壁圆柱形容器置于水平地面上，装有 $0.3m$深的水。现将物体 $A$放人其中，物体 $A$漂浮于水面上，如图乙所示，此时容器底部受到水的压强比图甲增大了 $400\mathit{Pa}$．当再给物体 $A$施加一个竖直向下大小为 $4N$的力 $F$以后，物体 $A$恰好浸没水中静止（水未溢出），如图丙所示。 $({\rho }_{水}=1\times {10}^3\mathit{kg}/m^3$， $g$取 $10N/\mathit{kg})$求：

（1）容器中水的质量；

（2）物体 $A$放入前，容器底部受到水的压强；

（3）物体 $A$的密度。

在“研究液体内部的压强”的实验中，小红选用液体压强计和两个透明圆柱状的容器，分别盛适量的水和盐水进行实验，操作过程如图甲所示。

（1）小红将压强计的探头插入水中后，发现探头看上去变大了，这是因为容器和水的共同作用相当于　　，起到了放大的作用。

（2）通过比较 $B$、 $C$三个图可以得出的结论是：在同种液体的内部，　　。

（3）小红比较 $C$、 $D$两个图得出液体压强和液体密度有关的结论，小明认为这样比较得出结论是不正确的，他的理由是：　　。

（4）小明利用量筒和一个带胶塞的小瓶，测量出矿石的密度，如图乙，实验过程如下：

①用量筒量取适量的水，读出体积为 $V_0$；

②将小瓶放入量筒内，小瓶漂浮在水面上，读出体积为 $V_1$；

③将适量的矿石放入小瓶中，再将小瓶放入量筒内，小瓶仍漂浮在水面上，读出体积为 $V_2$；

④将瓶内的矿石全部倒入水中，再将小瓶放入量筒内，读出体积为 $V_3$。

根据以上信息计算（水的密度用 ${\rho }_{水}$表示）：在图乙③中，小瓶和矿石受到的浮力 $F_{浮}=$　　；矿石的密度表达式为 ${\rho }_{石}=$　　。

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？

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？

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？

小明制作了一个可测量物体质量的装置，如图甲所示小筒与大筒均为圆柱形容器。小筒和托盘的总质量为200g，小筒底面积50cm ²，高12cm，大筒中装有适量的水，托盘上不放物体时，在小筒和大筒上与水面相平的位置的刻度均为"0"，将小筒竖直压入水中，当水面距小筒底10cm时，在小筒和大筒上与水面相平位置的刻度均为最大测量值，小筒和大筒的分度值相同。把被测物体放入托盘中，读出小筒或大筒上与水面相平位置对应的刻度值，即为被测物体的质量。

（1）该装置所能测量物体的最大质量为 　 　g；

（2）小筒上相邻两刻度线的间距比大筒上相邻两刻度线间的距离 　 　（选填"大"或"小"）；

（3）他想利用此装置测算出石块的密度，操作如下，如图乙所示，将石块放入托盘中，读出大筒上的示数为m ₁；如图丙所示，将此石块沉入水中，读出大筒上的示数为m ₂，该石块密度的表达式为ρ _石＝ 　 　（水的密度用ρ _水表示）

随着我国经济的不断增长，国防力量也在加强，我国第一艘航空母舰“辽宁号”已正式交接．根据某航母的主要参数值列式计算：（g=10N/kg，ρ_海水=1.03×10³kg/m³）

主要参数值
航母总质量（包括舰载飞机）	6×10^7kg
每架舰载飞机的质量	5150kg
每架舰载飞机与甲板的总接触面积	5000cm^2
航母正常航行速度	54km/h
航母以正常航行速度行驶时所受阻力	3.6×10^8N

求：（1）求每架舰载飞机对甲板的压强．
（2）求航母所受的总重力和浮力的大小．
（3）若航母以正常航行速度匀速从甲地开往乙地，行驶了540km．求此过程中航母牵引力的功率．
（4）若其中一架舰载飞机起飞后，求航母排开海水的体积减少了多少？

周日，小明去炼钢厂参观学习，他了解得知，炼钢所需的铁矿石粉是用船从澳大利亚、巴西经河流大海运至中国的，铁矿右粉再被传送皮带送入储存车间，经过煅烧、浇铸、淬火等不同程序成为钢制品或半成品。
(1)铁矿石粉船从澳大利亚、巴西河流至中国过程中，船受到的浮力_________(选填“变
大”“不变”或“变小”)；
(2)浇铸是指高温钢水变成钢半成品，这是__________过程(填物态变化的名称)，在炼钢过程中需使用大量的水来冷却设备，选水作为冷却剂的主要原因是_______  ______。
(3)现代经济的理念是“既要金山银山，也要绿水青山”，请你为钢铁基地在环保、能源与资源的利用方面提出2条合理建议：
a．____________________________________________
b．___________________________________________

美国建筑师凯文•朔普费尔设计出了一种能漂浮在水中的城市（如右图所示），漂浮城市装有动力装置，可以移动．该漂浮城市三角形建筑的主体结构是中空的，强风能从中通过，可以确保当飓风来临时，把飓风对建筑的破坏降至最低．该漂浮城市高达360m，占地270万平方米，可容纳多达4万居民．酒店、商店等只要是普通城市有的，这里都一应俱全．漂浮城市的表面安装有太阳能电池板，接收太阳能的功率为8.0×10⁸W，请回答下列问题：

（1）假如某班级有50位中学生从岸上进入漂浮城市参观，则漂浮城市受到的浮力约增加                                      （     ）

A．2.5×10^2 N

B．2.5×10^3 N

C．2.5×10^4 N

D．2.5×10^5 N

（2）若三角形建筑空洞的面积为2.0×10⁴m²，某次飓风正好垂直于空洞的表面吹入，1s钟流入空洞的空气质量是1.92×10⁶kg，该地的空气密度是1.2kg/m³．则飓风的风速是       m/s；
（3）若电池板吸收的太阳能只用来提供推动漂浮城市前进所需的能量，漂浮城市在平静的水面上沿直线运动，运动过程中受到的阻力不变．从某一时刻开始，漂浮城市受到水平方向的牵引力F随运动时间t的变化关系如下图甲所示，漂浮城市的运动速度v与时间t的关系如下图乙所示．

①漂浮城市运动到第25s时受到的阻力为     N．从第50s钟到100s钟内牵引力做的功为       J；
②漂浮城市在匀速运动过程中，太阳能转化为机械能的效率为多少？（写出计算过程）