Question

2010年8月，我國自行設計、自主集成研制的“蛟龍號”深海載人潛水器（如圖19）3000m級海試取得成功，最大下潛深度達到3759m．這標志著我國成為繼美、法、俄、日之后的第五個掌握3500m以上大深度載人深潛技術的國家．同年11月，“蛟龍號”載人潛水器技術改進及5000～7000m海試課題實施方案在無錫通過專家認證．“蛟龍號”載人潛水器的總體積約為84m³．
請你解答下列問題：（ρ_海水=1.03×10³kg/m³，g取10N/kg）
（1）“蛟龍號”潛水器在上浮或下潛的過程中，體積幾乎不發生改變．當它浸沒在海水中繼續下潛時，它受到的壓強將______，受到的浮力將______（選填“不斷變大”、“不斷變小”或“保持不變”）．據此可以猜想：“蛟龍號”潛水器主要是通過______來實現上浮或下潛的．
（2）當“蛟龍號”載人潛水器下潛到3000m深處時，載人艙表面0.2m²的面積上將承受海水多大的壓力？
（3）當“蛟龍號”載人潛水器懸浮于海水中時，它所受到的浮力是多大？此時它的總質量是多少？

Answer 1

解：（1）①“蛟龍”號深海載人潛水器下潛的過程中，排開水的體積V_排不變，
∵F_浮=ρ_海水gV_排，水的密度ρ_水不變，
∴受到的浮力不變；
∵P=ρ_海水gh，潛水器所處深度h增大，
∴受到的壓強變大．
②把壓縮空氣壓入潛水器的壓力艙，將海水排出，潛水器自重G減小，當F_浮＞G時，潛水器上浮；
打開壓力艙的閥門，讓海水進入壓力艙內，潛水器自重G增大，當F_浮＜G時，潛水器下沉；
當F_浮=G時，潛水器懸浮，可以停留在任何深度；
由此可見，潛水器能夠上浮和下沉是通過改變自重來實現的．
（2）當“蛟龍號”載人潛水器下潛到3000m深處時，海水產生的壓強：
P=ρ_水gh=1.03×10³kg/m³×10N/kg×3000m=3.09×10⁷Pa；
∵P=
∴載人艙表面0.2m²的面積上將承受海水多大的壓力：
F=PS=3.09×10⁷Pa×0.2m²=6.18×10⁶N；
（3）“蛟龍號”載人潛水器的總體積約為84m³，潛水器懸浮于海水中時，它所受到的浮力是：
F_浮=ρ_海水gV_排=1.03×10³kg/m³×10N/kg×84m³=8.652×10⁵N，
因為懸浮，所以潛水器的總重力等于浮力，即G=F_浮=8.652×10⁵N，
∵G=mg，
∴潛水器的總質量：
m===8.652×10⁴kg
故答案為：（1）不斷變大；保持不變；改變自身重力；
（2）當“蛟龍號”載人潛水器下潛到3000m深處時，載人艙表面0.2m²的面積上將承受壓力為6.18×10⁶N；
（3）當“蛟龍號”載人潛水器懸浮于海水中時，它所受到的浮力是8.652×10⁵N；此時它的總質量是8.652×10⁴kg．
分析：（1）①液體的壓強與深度有關，深度越大，壓強越大；
②“蛟龍”號深海載人潛水器全部潛入海中下潛過程中，排開的水的體積不變，根據阿基米德原理判斷受到的浮力大小變化；
③潛水器浸沒在水中無論是上浮還是下沉，潛水器的體積不變（排開水的體積不變），受浮力不變；通過讓海水進、出壓力艙改變潛水器受到的重力，實現上浮或下沉的．
（2）根據液體壓強計算公式P=ρ_水gh計算出3000m深處產生的壓強，再根據F=PS計算出載人艙表面承受的壓力；
（3）當“蛟龍號”載人潛水器懸浮于海水中時，排開的水的體積等于它自身的體積，根據F_浮=ρ_水gV_排就可以計算出它受到的浮力；由于懸浮，浮力等于重力，據此計算出質量．
點評：（1）考查了學生對液體壓強公式、阿基米德原理和物體浮沉條件的掌握和運用，知道潛水器自身體積不變（排開水的體積不變、受浮力不變）是本題的關鍵．
（2）熟練掌握壓強和浮力的計算公式是解決計算部分的關鍵，數據計算過程中要認真仔細．