物理竞赛辅导（十一）浮力问题（实用部分）

浮力问题一1．测定血液的密度不用密度计（因为这样做需要的血液量太大），而采用巧妙的办法：先在几个玻璃管内分别装入浓度不同的、呈淡蓝色的硫酸铜溶液，然后分别在每个管中滴进一滴血液。分析人员只要看到哪一个管中血滴悬在中间，就能判断血液的密度。其根据是：A．帕斯卡定律B．液体内同一深度各方向压强相等C．物体的浮沉条件D．血滴上部所受硫酸铜溶液的压强等于下部所受硫酸铜溶液的压强答：（）思路点拨若血滴所悬浮在某硫酸铜溶液中，则由物体的浮沉条件知此时血滴所受浮力应刚好等于它排开的硫酸铜溶液的重量，血滴排开硫酸铜溶液的体积就与其自身体积相等，可见血滴所受浮力大小就等于与其自身等体积的硫酸铜溶液的重量，由于血滴处于悬浮状态，其所受浮力大小应与其自身重力大小相等．所以血滴的重力就和与它等体积的硫酸铜溶液的重力相等，故得此时两者的密度相等．由上可见，血滴在哪个管中能悬浮，则血滴的密度就和该管中硫酸铜溶液的密度相等．以上是根据物体的浮沉条件而得出结论的．答案：C2．儿童练习游泳时穿的一种“救生衣”实质是将泡沫塑料包缝在背心上。使用时，穿上这种“救生衣”，泡沫塑料位于人的胸部。为确保人的安全，必须使人的头部露出水面儿童的体重约为300N，人的密度约为l.06×103kg/m3，人的头部体积约占人体总体积的十分之一，泡沫塑料的密度约为10kg/m3，则此儿童使用的“救生衣”的最小体积为_____________。思路点拨设此儿童体积为V1，密度为ρ1，水的密度为ρ，所需泡沫塑料的最小体积为V2，密度为ρ2．则此儿童使用由这一最小体积的泡沫塑料构成的救生衣游泳时，可以漂浮于水面上使其头部刚好露出水面，此时应有此儿童和泡沫塑料块的总重力与儿童和泡沫塑料块所受到的总浮力相等，即浮FGG21由阿基米德原理有gVVg＝VF排浮)109(12即gVVgVgV)109(12221112221110101010VVVV11333121216.0)10101(1010191006.110)(10910VVVV而该儿童的体积为323311088.28.91006.1300mmgGV故得泡沫塑料块的最小体积为33322106.41088.216.0mmV答案：4.6×10-3m3浮力问题二1．我们发现：在抗洪抢险中，大堤上的许多人都身穿厚厚的“背心”，这种“背心”的主要作用是：[]A．能阻碍热传递，从而可以抵御风寒B．跌倒或碰撞时减小其他物体对人体的作用力，起保护作用C．不同的背心反射不同颜色的光，便于识别D．以上说法都不对思路点拨抗洪救灾中，大堤上许多人都穿着厚厚的“背心”，这些背心的主要作用不是题述的几条，而是为了起保障安全的作用，即万一人落水而遇到危险时，这些背心可使人浮在水面而不至沉入水中．这些背心内部都充有密度很小的物质(如泡沫塑料等)，由此它们掉入水中时，能提供足够的浮力以使与之相连的物体不至沉没入水中．答案：D2．已知空气的密度为1.29kg/m3，人体的平均密度与水的密度相当。质量为60kg的人在空气中受到的浮力大约是__________N。思路点拨人在空气中，人体外表各部分都与空气接触而受到空气的压力，类似于在液体中，这些压力也会总合地对人形成一个向上的浮力．由于形成机制的类似，所以也可以借助于阿基本德原理来求这一浮力的大小．答案:人的体积的大小为人人人人人mmV根据阿基米德原理，可得人所受空气浮力大小为NNgmgVF76.08.96010129.13人水空空人浮即一个质量为60kg的人在空气中时受到空气的浮力大小约为0.76N．浮力问题三1.1978年夏天，法国、意大利、西班牙等国的科学工作者曾乘坐容积为3.3万m3的充氦气球升入高空。如果气球本身所受的重力（不包括里面的氦气）是它在低空所受浮力的1/4，气球在低空飞行时可吊起最重物体的质量是_______kg。（常温时一个大气压下空气的密度是1.29kg/m3，氦气的密度是0.18kg/m3）思路点拨由阿基米德原理，气球在低空所受浮力的大小为gVF空排浮则气球本身重力为gVFG空排浮自4141设气球在低空飞行时可吊起最重物体的质量是m，则由此时气球的受力平衡应该有mgGGF氦自浮即mggVgVgV氦排空排空排41kgkgVm44106.2)18.029.14129.1(103.3)41(氦空空排答案：2.6×104浮力问题四1.节日里氢气球飘向高空，越来越小，逐渐看不见了。设想，气球最后可能会怎样。根据你所学的物理知识作出预言，并说明理由。思路点拨此问题应从两个方面考虑：一方面是离地面高度越高，则该处大气压强越小，气球体积将会膨胀；另一方面是离地面越高，则该处大气密度越小，对于同样体积来论，则大气对气球的浮力会逐渐变小．答案:气球的最后情况有两种可能．一种可能是由于高空的气体逐渐稀薄，压强降低，气球上升过程中，球内压强大于球外压强，气球就不断膨胀，最后气球就会“爆炸”破裂．另一种可能是因为高空空气稀薄，大气密度随高度升高而减小，气球上升到一定高度后其体积无明显变化，则气球上升过程中所受浮力将逐渐减小，当浮力等于重力时，气球上升的速度值达到最大，然后，气球继续上升，则浮力小于重力，气球开始向上做减速运动．当气球的速度减为零时，又会加速下落，浮力逐渐变大，当气球通过浮力等于重力的位置后，浮力又大于重力，气球开始向下做减速运动．在气球的速度减为零之后，又开始加速上升．如此反复，气球将在浮力等于重力这一特殊位置附近上下往复运动．2.某地质勘探队将设备装在木筏上渡河，若不载货物，人和木筏共重为Ｇ，木筏露出水面的体积是木筏总体积的1/3，则此要筏的载货重到多为。思路点拨以V表示木筏的体积，则由阿基米德原理可知，不载货物时：gVGG水排筏人gVG水32木筏在载货时，至多是使木筏刚好全部浸入水中，即此时木筏排开水的体积就等于木筏自身的体积，以G货表示此时的货重，则有：gVGGG水排货筏人gVGG水货解得GG货21浮力问题五小明在一根均匀木杆的一端缠绕少许铅丝，使得木杆放在液体中可以竖直漂浮，从而制成一支密度计。将它放在水中，液面到木杆下端的距离为16.5cm，再把它放到盐水中，液面到木杆下端的距离为14.5cm。如果所用铅丝的体积很小，可以忽略，小明测得的盐水密度是多少？思路点拨小明自制的密度计在水中和盐水中都是竖直漂浮．则两情况下此密度计所受浮力大小相等(都等于此密度计的重力)．而由阿基米德原理，又可以建立浮力大小与液体密度的关系，据此建立方程，则可求得盐水的密度．答案：以ρ表示盐水密度，ρ0表示水的密度，设密度计漂浮于液面上时，浸入盐水中的深度为h，浸入水中的深度为ho．并以S表示木杆的横截面积．由于不考虑铅丝的体积，则由阿基米德原理知，密度计在盐水中时所受到的浮力大小为ghSgVF排浮密度计在水中时所受到的浮力大小为SghVF排0000由于两情况下浮力大小都与密度计本身重力相等，即0FF故有SghghS00故得盐水的密度为333300/1014.1/5.14100.15.16mkgmkghh浮力问题六如图所示，一根细绳悬挂一个半径为ｒm、质量为ｍkg的半球，半球的底面与容器底部紧密接触，此容器内液体的密度为ρkg/m3，高度为Hm，大气压强为p0Pa，已知球体的体积公式是Ｖ＝4πr3/3，球面积公式是Ｓ球＝4πr2，圆面积公式是Ｓ圆＝πｒ2．则液体对半球的压力为________．若要把半球从水中拉起，则至少要用________的竖直向上的拉力．思路点拨假设图中半球下表面处全部为液体，则半球将受到液体对它的浮力F浮，F浮的方向竖直向上，F浮的大小则由阿基米德原理可知为grF浮332，这一浮力是由半球表面各处所受液体对它的压力的总合结果．半球表面各处所受液体压力的分布如图所示．其中半球下表面的受液体压力下F的方向竖直向上，大小为F下＝p下S圆＝πr2(po＋ρgH)，以上F表示液体对半球的球面部分的压力，由于对称，上F的方向应为竖直向下，显然，上F与下F的差值就是半球所受的浮力．即上下浮FFFgrgHprFFF浮下上30232)(在本题给出的条件中，半球底部与容器底部紧密接触（即半球的下表面处并不与液体接触），但这并不改变半球上表面受液体压力作用的情况，则液体对半球的压力仍为以上解得的上F．此时，若要把半球从水中拉起，则刚要拉起时，容器底板对半球的下表面已无向上的支持力，则竖直向上的拉力拉F至少要等于上述的上F与半球本身的重力之和，即mggrgHprmgFF上拉30232)(答案：)](32)([302NgrgHpr)](32)([302NmggrgHpr浮力问题七如图所示，粗细均匀的蜡烛长l0，它底部粘有一质量为ｍ的小铁块．现将它直立于水中，它的上端距水面ｈ．如果将蜡烛点燃，假定蜡烛燃烧时油不流下来，且每分钟烧去蜡烛的长为Δl，则从点燃蜡烛时开始计时，经时间蜡烛熄灭（设蜡烛的密度为ρ，水的密度为ρ1，铁的密度为ρ2）．思路点拨蜡烛燃烧时，其质量不断减少，其重力也就随之减小，由此蜡烛将自水中不断上浮．当蜡烛燃烧到其上端面恰好与水面相平时，蜡烛将会熄灭．以S表示蜡烛的截面积，以F1表示铁块所受到的水的浮力，则在最初时，根据阿基米德原理和蜡烛的受力平衡条件可列出方程为mg＋ρl0Sg＝ρ1(l0－h)Sg＋F1设蜡烛被烧去的长度为x时，蜡烛刚好熄灭，此时蜡烛刚好悬浮于水面，仍由其受力平衡条件应有mg＋ρ(l0－x)Sg＝ρl(l0－h)Sg＋F1由上两式相减得ρxSg＝ρ1(x－h)Sg11hx此时蜡烛的燃烧时间为：lhlxt)(11答案：lh)(11浮力问题八如图所示，密度均匀的木块漂在水面上，现沿虚线将下部分截去，则剩下的部分将（）A．上浮一些B．静止不动C．下沉一些D．无法确定思路点拨设木块原体积为V，截去一部分后体积变为V′，由阿基米德原理有ρ水V排g＝ρ木Vg即ρ水(V—V露)g＝ρ木Vg得VV水木水露截去一部分后，以V′表示剩下木块的体积，以V′露表示它漂浮于水面上露出部分的体积，则同上可以得到VV水木水露比较以上两式可见，由于V′＜V，则有V′露＜V故剩下部分将下沉一些．答案：C引申拓展本题以上的解法是根据计算得出结论，这是一条清晰、严谨的思路．另外，本题也可以通过分析说理来得出结论，例如，还可以有如下的几条思路途径：思路一：由于均匀的木块漂浮在水面上，则必有木块的密度小于水的密度．若将木块浸入水中的部分截去一段，对于原来木块来说，相当于它排开水的体积减少一些，则其对应的浮力也就减少一些，同时其本身重力也减少一些．由于木块密度小于水的密度，故其减少的重力小于其减少的浮力．而原来整个木块的重力与其所受浮力是平衡的，截去一段后，其重力减少得少，而浮力减少得多，故截去一段后的剩下部分在水面上时，若保持其露出水面的部分体积不变，则其受力不平衡：其重力将大于浮力，故木块将下沉一些，即其露出水面部分的体积将减少．思路二：由于木块和水的密度都是一定的，则漂浮在水面上的木块其露出水面部分的体积与其总体积之比值应由两者的密度来决定，而与木块的体积大小无关，故漂浮木块的体积越小，其露出水面部分的体积也应越小．思路三：题述是将木块沿虚线将其下部分截去，而这一虚线的位置并没有严格的规定，可见若将该虚线的位置向上移一些或者向下移一些并不会影响本题的结论．由此，不妨假设该虚线就刚好与容器中的水面相平，这样，截去虚线以下部分后，木块剩下的部分若留在原位置将不受水的浮力，显然这一剩下部分是无法平衡的，而为使其达到新的平衡，则剩下部分必须下沉一些．浮力问题九如图所示，在盛有某液体的圆柱形容器内放有一木块Ａ，在木块的下方用轻质细线悬挂一体积与