Question

16．小聪同学在学习了阿基米德原理时想到“物体受到浮力大小可能还跟物体的密度有关？”、“没有天平和量筒，只用弹簧测力计和水也能测铁块等的密度”，他选取了两块体积和形状都相同的实心铜块和铁块（已知铜的密度大于铁的密度），进行了如图的实验．


（1）步骤C中的铁块在水中所受到的浮力为0.3N．
（2）验证物体所受的浮力大小是否与物体的密度有关？小聪应该选取图中的步骤ABCD（填字母符号）进行对比．根据他所选择的几个图中弹簧测力计的示数可以知道铜块受到的浮力等于（选填“大于”、“等于”或“小于”）铁块受到的浮力．由此得出物体所受的浮力大小与物体的密度无关（选填“有关”或“无关”）
（3）该实验还可以研究其他的浮力问题，按照图中的A、C、D步骤实验．可以得出的结论是：液体密度一定时，物体排开液体的体积越大，所受的浮力越大．
（4）利用本实验的数据，测得铁块的密度大小是8×10³kg/m³．

Answer 1

分析 （1）已知铁块重力和浸在液体中弹簧测力计的示数，利用称重法可以得到此时受到的浮力；
（2）要验证物体受到的浮力与密度是否有关，需要使密度不同的物体浸入同一种液体，并且排开液体的体积相同，根据称重法得到密度不同的物体受到的浮力进行比较；
（3）同一物体排开液体体积不同，受到的浮力不同，对应关系从拉力大小确定；
（4）已知铁块受到的浮力和水的密度，利用阿基米德原理变形公式得到铁块排开水的体积，也就是铁块的体积；已知铁块的重力，可以得到质量，已知质量和体积，利用公式ρ=$\frac{m}{V}$得到密度．

解答 解：（1）铁块在水中受到竖直向下的重力、竖直向上的浮力和竖直向上的拉力作用，三力平衡，根据题图可知，步骤C中的铁块在水中所受到的浮力为F_浮=G_铁-F_拉=4.0N-3.7N=0.3N；
（2）验证物体所受的浮力大小与物体的密度关系时，需要使密度不同的物体浸入同一种液体，并且排开液体的体积相同，根据称重法得到密度不同的物体受到的浮力进行比较，应该选取图中的步骤ABCD进行对比；
由图示可知，铜块浸没时受到的浮力：F_铜=G_铜-F_铜拉=4.4N-3.9N=0.5N，
铁块浸没时受到的浮力：F_铁=G_铁-F_铁拉=4.0N-3.5N=0.5N，
两物体所受的浮力大小相等，所以可知物体所受的浮力大小与物体的密度无关；
（3）按照图中的A、C、D步骤实验，随着铁块浸入水中的体积增大，铁块受到浮力由0.3N增大到0.5N，所以可以得出的结论是：当液体密度一定时，物体排开液体的体积越大，所受的浮力越大；
（4）铁块的质量为m=$\frac{G}{g}$=$\frac{4.0N}{10N/kg}$=0.4kg，
当铁块浸没到水中时，所受的浮力为0.5N，则铁块的体积：
V=V_排=$\frac{{F}_{浮}}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{0.5N}{1.0×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×10N/kg}$=5×10^-5m³，
铁块的密度：ρ_铁=$\frac{m}{V}$=$\frac{0.4kg}{5{×10}^{-5}{m}^{3}}$=8×10³ kg/m³．
故答案为：（1）0.3；（2）ABCD；等于；无关；
（3）物体排开液体的体积越大，所受的浮力越大；（4）8×10³．

点评 此题是阿基米德原理的验证性实验，同时还探究了浮力与物体密度的关系以及利用阿基米德原理测量不规则固体密度，综合性较强，注意实验设计的严谨性和正确应用控制变量法．