Question

如圖所示，質量為60g，體積為50cm³的鐵制小球放入盛水的水槽中，在小球正上方有一己接入電路的螺線管，小燈泡標有“6V 3W”字樣，通電螺線管中電流I與螺線管對小球吸引力F的關系如下表所示（g=10N/kg，ρ_水=1.0×10³kg/m³，燈絲電阻不變，不考慮小球與螺線管距離遠近對立F的影響）．要求：

I/A	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
F/N	0.05	0.1	0.15	0.2	0.25

（1）若槽中水深10cm，槽底所受水的壓強是多大？
（2）閉合開關，調節滑動變阻器使小球懸浮在水中，此時小燈泡消耗的功率是多大？
（3）當小燈泡正常發光時，小球露出水面的體積有多大？

Answer 1

【答案】分析：（1）由液體壓強公式p=ρ_水gh可以求出槽底所受水的壓強．
（2）先算出小球懸浮在水中，螺線管對小球的力，再從表中找出對應的電流．由小燈泡標有“6V 3W”字樣，算出電阻，就可算出小燈泡消耗的功率．
（3）先算出小燈泡正常發光時的電流，從表中找出此時通電螺線管對小球的吸引力，然后求出小球受到的浮力，由浮力公式求出小球排開水的體積，最后求出小球露出水的體積．
解答：解：（1）p=ρ_水gh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.1m=1×10³Pa；
（2）小球懸浮時，對小球由平衡條件得：
F₁+F_浮=mg，則F₁=mg-ρ_水vg=0.06kg×10N/kg-1×10³kg/m³×50×10^-6m³×10N/kg=0.1N，
由表中數據可知，此時電路電流I₁=0.2A，
∵P=，
∴燈泡電阻R_燈===12Ω，
此時燈泡的實際功率：P₁=I²₁R_燈=（0.2A）²×12Ω=0.48W；
（3）∵P=UI，
∴燈正常發光時的電流I_額===0.5A，
由表中數據可知，當電流是0.5A時，
螺線管對小球吸引力F₂=0.25N，
此時小球受到的浮力F_浮=mg-F₂=0.06kg×10N/kg-0.25N=0.35N，
∵F_浮=ρ_水V_排g，
∴V_排===0.35×10^-4 m³=35cm³；
小球露出水面的體積V_露=V-V_排=50cm³-35cm³=15cm³；
答：（1）若槽中水深10cm，槽底所受水的壓強是1×10³Pa．
（2）閉合開關，調節滑動變阻器使小球懸浮在水中，此時小燈泡消耗的功率是0.48W．
（3）當小燈泡正常發光時，小球露出水面的體積是15cm³．
點評：本題涉及到的知識面比較廣．包括電功率的計算、浮力的計算、物體的受力分析．力學和電學通過表中數據聯系起來，難度較大，綜合性強，對鍛煉學生的綜合思維能力有一定幫助．