Question

“曹冲称象”是家喻户晓的典故．某校兴趣小组模仿这一现象，制作了一把“浮力秤”．将厚底直筒形状的玻璃杯浸入水中，如图所示．已知玻璃杯的质量为200g，地面积为30cm²，高度为15cm．（水的密度ρ_水=1×10³Kg/m³，g取10N/kg）
求：（1）将杯子开口向上竖直放入水中时（注：水未进入杯内），杯子受到的浮力．
（2）此时杯子进入水中的深度（即为该浮力秤的零刻度位置）．
（3）此时浮力秤的最大称量（即量程）．

Answer 1

解：（1）杯子的重力：G=mg=0.2kg×10N/kg=2N，
因为杯子漂浮在水面上，所以F_浮=G=2N；
（2）由F_浮=ρ_水gV_排得：
则此时杯子排开水的体积：V_排===2×10^-4m³，
此时杯子浸入水中的深度：h===0.067m；
（3）当杯子下沉的深度为0.15米时，此时杯子受到的浮力最大，
F_浮′=ρ_水gV_排′=1.0×10³kg/m³×10N/kg×30×10^-4m²×0.15m=4.5N，
即：F=F_浮′-F_浮=4.5N-2N=2.5N，
则此浮力秤的最大称量为：m_max===0.25kg．
答：（1）将杯子开口向上竖直放入水中时，杯子受到的浮力是2N．
（2）此时杯子浸入水中的深度是0.067米．
（3）此时浮力秤的最大称量为0.25kg．
分析：（1）由于该玻璃杯是一把“浮力秤”，它漂浮在水面上，所以它受到的浮力等于重力；
（2）可先根据阿基米德原理算出该玻璃杯在水中的V_排，然后再用V_排除以底面积，就可以算出杯子浸入水中的深度；
（3）当杯子下沉的深度为0.15米时，此时杯子受到的浮力最大，所以我们需要先算出杯子的体积，即为最大V_排，然后根据阿基米德原理算出杯子受到的最大浮力，最后用最大浮力减去第（2）问中的浮力即为该浮力秤的最大称量．
点评：本题中计算浮力用到了两种方法：一是利用阿基米德原理去计算（它是通用公式），二是根据F_浮=G去计算（它只适合于漂浮或悬浮）．要明确：物体在液体中受到的浮力有一个最大值，那就是当物体浸没在液体中时，V_排=V_物．不过该题中玻璃杯是不能浸没在液体中的，因为它的上端是开口的．