Question

5．小明游泳時發現，人在水中越往深處走就越覺得所受的浮力越大．由此他猜想：“浮力的大小可能與物體浸入水中的深度有關或者與物體排開水的體積有關”，于是他找來一個金屬圓柱體、彈簧測力計、燒杯和水等器材進行了如圖所示的探究．四幅圖中彈簧測力計的示數分別為（F₁、F₂、F₃、F₄）

（1）分析圖中彈簧測力計示數的變化可知：物體排開水的體積越大，物體所受的浮力就越大（選填“越大”或“越小”）．
（2）小明繪制了彈簧測力計對金屬圓柱體的拉力和金屬圓柱體所受浮力隨浸入水中深度變化的圖象，如圖戊所示．分析圖象可知：描述金屬圓柱體所受浮力的變化情況的圖象是a（選填“a”或“b”）；該圓柱體在空氣中所受的重力為2.7N，當金屬塊完全浸沒水中后所受的浮力是1.0N，金屬塊浸沒水中后所受浮力大小與金屬塊所處的深度無（選填“有”或“無”）關．該金屬的密度為2.7×10³kg/m³
（3）在上述實驗的基礎上，請你再增加一個實驗步驟，用來探究浮力大小與液體密度的關系．

Answer 1

分析 （1）根據稱重法比較浮力大小，比較得出結論；
（2）金屬塊受到的浮力大小在浸沒前隨排開液體的體積增大而增大，浸沒后浮力大小不變；
當物體浸在水中的深度為0時彈簧測力計的示數即為物體的重力；
由圖a可知物體浸沒時受到的浮力大小（或根據稱重法，由圖b根據浮力F_浮=G-F_示求浮力）；
分析圖a得出結論；
根據F_浮=ρ_水gV_排求出物體的體積，再根據ρ=$\frac{m}{V}$求出物體的密度；
（3）研究浮力大小與液體密度關系時，要保持物體排開液體的體積不變，比較彈簧測力計的示數大小．

解答 解：（1）比較乙、丙、丁中的實驗可知，物體排開液體的體積增大，彈簧測力計示數越來越小，由F_浮=G-F_示知，物體受到的浮力越來越大，所以，得出的結論是物體排開液體的體積越大，受到的浮力越大；
（2）由上面的分析，在浸沒前金屬塊受到的浮力大小隨排開液體的體積增大而增大，浸沒后排開液體的體積不變，根據阿基米德原理可知，浮力大小不變，據此判斷出描述金屬圓柱體所受浮力的變化情況的圖象是a；
當物體浸在水中的深度為0時，根據二力平衡條件可知，彈簧測力計的示數即為物體的重力大小，由圖b知，重力大小為2.7N；
圖a中的水平線即為浸沒后物體受到的浮力大小，為1.0N；
根據圖a可知，金屬塊浸沒在水中后所受浮力大小與金屬塊所處的深度無關；
物體的質量為m=$\frac{G}{g}$=$\frac{2.7N}{10N/kg}$=0.27kg；
物體的體積：V=V_排=$\frac{{F}_{浮}}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{1.0N}{1.0×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×10N/kg}$=1×10^-4m³；
物體的密度為：ρ=$\frac{m}{V}$=$\frac{0.27kg}{1×1{0}^{-4}{m}^{3}}$=2.7×10³kg/m³；
（3）研究浮力大小與液體密度關系時，要保持物體排開液體的體積不變，根據稱重法比較彈簧測力計的示數大小即可，故增加的實驗步驟是：換用一杯密度不同的液體，將金屬浸沒在液體中，觀察彈簧測力計的示數，與丁圖比較得出結論（或往丁圖實驗的燒杯中加入適量的鹽或加入其它能改變水的密度的可溶性物質，觀察彈簧測力計示數變化情況）．
故答案為：（1）越大；（2）a；2.7；1.0；無；2.7×10³；
（3）換用一杯密度不同的液體，將金屬浸沒在液體中，觀察彈簧測力計的示數，與丁圖比較得出結論（或往丁圖實驗的燒杯中加入適量的鹽或加入其它能改變水的密度的可溶性物質，觀察彈簧測力計示數變化情況）．

點評 物體受到的浮力大小只與物體排開液體的體積和密度有關，而與物體浸在液體中的深度無關．