专题13 浮力实验问题
1.考查方式
(1)已知实验现象,寻找实验原因。
(2)已知实验表格或图象,寻找物理规律。
(3)已知实验数据,算出需要的物理量。
2.必记需要牢记的知识
(1)认真分析实验现象或实验数据,找出原因和结果两个因素。
(2)判断原因和结果是相同还是不同,如果不同,其不同点是什么。
(3)关注物理条件改变与物理现象变化之间的联系,寻求数据之间的相互关系的特征。
(4)用自己的语言力求客观、准确和简洁地对探究结果进行表述。
3.解答相关实验类问题的答题规则
(1)如果实验过程中用到了控制变量法,要写明这个探究结论的前提条件。
(2)若归纳定性结论,应“由表及里,由具体到抽象,由特殊到一般,由个性到共性”进行抽象概括得出结论。
(3)若是归纳定量结论,应注意从“和、差、积(反比)、商(正比)、平方”等方向寻找规律。
【例题1】(2020苏州)小明用装有沙子的带盖塑料瓶探究浮力的影响因素。
(1)小明列举了三个常识，分别做出了三个猜想，其中符合常识1的是猜想 (填序号)。
常识 | 猜想 |
常识1：木头漂在水面，铁钉沉在水底 常识2：轮船从长江驶入大海，船身会上浮一些 常识3：人从泳池浅水区走向深水区，感觉身体变轻 | 猜想1：与浸入液体的深度有关 猜想2：与液体的密度有关 猜想3：与物体的密度有关 |
(2)为了验证上述猜想是否正确，小明依次做了如下实验：
①根据A、B、C的结果，可得猜想1是 (正确/错误)的；根据A、C、D的结果，可得猜想1是 (正确/错误)的。深入分析上述现象，可得：浮力大小与 有关，与浸入液体的深度 ；
②接下来根据A、D和E (能/不能)对猜想2进行验证；
③为验证猜想3，小明在老师的指导下，将瓶子中的沙子倒掉一些以减小物体密度。接着他仿照步骤D进行实验，发现此时测力计示数小于1.8N，便认为该猜想是正确的。小明在该实验环节中存在的问题是 。
【答案】(1)3；(2)①正确；错误；排开液体的体积；无关；②能；③没有测量出此时瓶子(含有沙子的)重力。
【解析】(1)木头漂在水面，是因为木头的密度小于水的密度；铁钉沉在水底，是因为铁的密度大于水的密度，
其中符合常识1的是与物体的密度有关，即符合常识1的是猜想3；
(2)①B、C实验中(物体在水中的深度不同)，测力计示数不同，由称重法，两实验中受到的浮力不同，根据A、B、C的结果，可得猜想1是正确的；
而C、D实验中，浸入液体的深度不同，两实验中，测力计示数相同，由称重法，两实验中受到的浮力相同，根据A、C、D的结果，可得猜想1是错误的；
B、C实验中排开液体的体积不同，而C、D实验中排开液体的体积相同，深入分析上述现象，可得：浮力大小与排开液体的体积有关，与浸入液体的深度无关；
②研究浮力与液体的密度有关，要控制排开液体的体积相同，只改变排开液体的密度，故接下来根据A、D和E能对猜想2进行验证；
③根据称重法测浮力，F浮＝G﹣F，
将瓶子中的沙子倒掉一些以减小物体密度，则此时瓶子(含有沙子的)重力小于2.8N，为验证猜想3，即浮力与与物体的密度有关，应测量出此时瓶子(含有沙子的)重力中，故小明在该实验环节中存在的问题是没有测量出此时瓶子(含有沙子的)重力。
【对点练习】同学们在认识和研究浮力时，进行了如下的探究．
(1)小华将乒乓球按入水中，松手后，发现乒乓球竖直上浮，这说明了什么__________
(2)小帅利用水、弹簧测力计和带有标记线的长方体物块等器材，进行了如图所示的实验．
第一点：____________；
第二点：____________。
【答案】(1)浸在水中的乒乓球受到竖直向上的浮力，且浮力大于重力
(2)在研究浮力大小与物体排开液体体积的关系 理由：由图知，V排1＜V排2＜V排3；
弹簧测力计的示数越小，浮力越大，得F浮1＜F浮2＜F浮3，可知ρ液不变时，V排越大，浮力越大．所以我认为他在研究浮力大小与物体排开液体体积的关系
(3)①小勇的实验不仅能探究出浮力大小与排开液体体积的关系，还能探究出浮力大小与液体密度的关系；②小勇的实验使用了多种液体，可使实验结论更具有普遍性。
【解析】对浮力问题，课标要求达到认识水平。在探究基础上来认识。(1)判断物体的沉浮，需要知道其受力情况。浮力大于重力则上浮。(2)浮力大小与什么因素有关系，通过实验可以直接观察，本题需要考虑与物体自身有关的物理量。比如质量、密度、体积等。(3)选择实验器材做实验，若体现实验的普遍性，则实验具有说服力。
【对点练习】在探究“影响浮力大小的因素”这一问题时，请你根据图所示实验操作，从中选出一些图，针对某一个因素进行研究，并通过分析弹簧测力计的示数，说明你的探究结果．
(1)探究的因素是： ．选用的图是： (填图中的序号)．
(2)小明想探究“物体受到的浮力与其形状是否有关”，他找来薄铁片，烧杯和水进行实验，实验步骤如下：
步骤一：将铁片放入盛水的烧杯中，铁片下沉至杯底；
步骤二：将铁片弯成“碗状”再放入水中，它漂浮在水面上．
①通过分析可知，第一次铁片受到的浮力第二次铁片受到的浮力(选填“大于”、“等于”或“小于”)；
②小明得出：物体受到的浮力与其形状有关，小明得出错误结论的原因是：他只关注了铁片的改变，忽视了 对浮力大小的影响．
【答案】(1)浮力大小与物体排开液体的体积的关系；①②③或①②④；
(2)①小于；②形状；排开水的体积．
【解析】(1)要探究浮力大小与多个变量的关系，运用控制变量法分析解答．
①结合题意，首先要做出自己的猜想，再根据猜想运用控制变量法判断出探究的因素；
②根据猜想选择可用于探究的实验步骤，即可得出需要选用的图．
③运用控制变量法得出浮力大小与变量之间的关系．
(2)利用浮沉条件，步骤一铁片下沉说明F浮1＜G，步骤二铁片漂浮说明F浮2=G，所以F浮1＜F浮2；步骤二把“碗状”铁片浮在水面上，没有全浸入，这样虽然改变了形状，但没有控制排开液体的体积不变，所以得出结论是不正确的．
A.测物体所受的浮力要利用称重法，即F浮=G﹣F拉，故每次必须要选图①才行；
若要探究浮力大小与物体排开液体的体积的关系，应控制液体的密度相同，而物体排开液体的体积不同，故应选用图①②③或①②④；
若要探究浮力大小与液体密度的关系，应控制物体排开液体的体积相同，而液体的密度不同，故应选用图①④⑤．
B.①第一次铁片下沉，说明F浮1＜G，
第二次铁片漂浮，说明F浮2=G，所以F浮1＜F浮2；
②本探究实验把铁片弯成“碗状”，改变了形状，虽然都是水，但两次排开液体的体积不同，所以得出结论是不正确的，即：他只关注了铁片形状的改变，忽视了排开水的体积对浮力大小的影响．
1.(2020通辽模拟)某学习小组想测量一块形状不规则的小矿石的密度，他们手边只有以下器材：天平一台，但没有砝码两个质量相近的烧杯量筒(其内径略小于矿石块的尺寸，无法将石块直接放入其中)
细线、滴管和足量的水(已知水的密度为ρ水)，该小组利用上述器材设计了如下实验方案，请你帮助他们完善方案．
实验方案(主要实验步骤)：
(1)将两个烧杯分别放入天平的两个托盘上，各注入适量的水(保证后面的操作中水均不会从烧杯溢出)，使天平平衡．如果在后面的步骤中要将矿石块放到左盘上的烧杯内，则对左盘烧杯的注水量还应有何要求： ．
(2)向量筒中加入适量的水，记下体积V1．
(3)手提细线吊住矿石块，将它浸没在左盘的烧杯中，且不与烧杯接触，用滴管将量筒中的水滴入盘的烧杯中，直到天平平衡．
(4)记下此时量筒中剩余水的体积V2．矿石块所受浮力F浮= ．
(5)，再用滴管将量筒中的水滴入右盘的烧杯中，直到天平平衡．
(6)记下量筒中最后剩余水的体积V3．
(7)矿石块的密度ρ= ．
【答案】(1)能够浸没石块；(3)右；(4)ρ水(V1﹣V2)g；(5)松开细线让矿石块沉入杯底；(7)．
【解析】(1)将两个烧杯分别放入天平的两个托盘上，各注入适量的水(水能够浸没石块)，使天平平衡．
(2)向量筒中加入适量的水，记下体积V1．
(3)手提细线吊住矿石块，将它浸没在左盘的烧杯中，且不与烧杯接触，用滴管将量筒中的水滴入右盘的烧杯中，直到天平平衡．
(4)记下此时量筒中剩余水的体积V2．由题意知，矿石排开水的体积V=V1﹣V2，矿石放在水中，矿石漂浮在水面上，
由阿基米德原理可知，矿石的重力G=F浮=G排=ρ水gV排=ρ水g(V1﹣V2)，
由G=mg得，矿石的质量：m=ρ水(V1﹣V2)，
(5)松开细线让矿石块沉入杯底，再用滴管将量筒中的水滴入右盘的烧杯中，直到天平平衡．
(6)记下量筒中最后剩余水的体积V3．矿石完全浸没在水中时排开水的体积等于矿石的体积，由题意可知，矿石完全浸没在水中时，矿石排开水的体积为：V排′=V2﹣V3，即矿石体积V=V2﹣V3；
矿石的密度ρ==；
2．(2020山东德州模拟)在“探究浮力的大小跟哪些因素有关”的实验中，小明用弹簧测力计、圆柱体、两个装有适量水和盐水的同样的烧杯，对浸在液体中的圆柱体所受的浮力进行了探究，实验装置和每次实验中弹簧测力计的示数如图所示．请按要求回答下列问题：
(1)比较图甲、乙可知：乙图中圆柱体受到的浮力的大小为N．
(2)比较图乙、丙，说明浮力的大小与 有关．
(3)通过图乙和戊的探究，不能得到浮力大小与液体密度是否有关，原因是．
(4)通过图中数据可知：圆柱体的密度是 kg/m3(取g=10N/kg)．
【答案】(1)0.6；(2)物体排开液体的体积；(3)没有控制排开液体的体积相同；
(4)1.5×103．
【解析】(1)由图甲可知圆柱体的重力，由图乙可知弹簧测力计的示数，根据称重法求出圆柱体受到的浮力；
(2)物体所受浮力的大小与排开液体的体积和液体密度有关，应用控制变量法分析图示实验，根据实验现象分析答题；
(3)探究浮力与液体密度的关系，液体的密度不同，其它量相同；
(4)图丁可知圆柱体浸没时弹簧测力计的示数，根据称重法求出圆柱体受到的浮力，根据阿基米德原理表示出排开水的体积即为圆柱体的体积，根据G=mg和ρ=m/v求圆柱体的密度．
3.(2020河南模拟)实验探究小组的同学在学习了浮力知识后，准备利用所学知识测物质的密度。他们选用了以下器材：弹簧测力计、量筒、小木块、小石块、待测液体、水、小桶、细线、装水的烧杯。
①小刚要测石块的密度，他拟订了以下实验步骤，请你将所缺部分补充完整。
a.将石块用细线拴住，吊在弹簧测力计下，读出弹簧测力计的示数G1。
b.将吊在弹簧测力计下的石块浸没在烧杯中，读出弹簧测力计此时的示数G2。
c.求出石块在水中受到的浮力，F浮=_____。由阿基米德原理，可求出石块的体积V_____。
d.利用公式ρ=m/v，可得石块的密度的表达式ρ=_________。
②小兰在小刚实验的基础上，增加了一步，测出了待测液体的密度。小兰增加的步骤是：___________。待测液体密度的表达式是ρ=_________。
③小莉提出一个问题，怎样测密度比水小的物体的密度(如木块)？实验探究小组的同学经过讨论，提出了好几种方案，请你说出至少一种：____________。
【答案】①c.G1-G2；；d.；
②将吊在弹簧测力计下的石块浸没在烧杯的待测液体中，读出弹簧测力计此时的示数G3。待测液体密度的表达式是；
③用弹簧测力计测出木块的重力G1；在量杯中装入适量的水，记下水的体积V1；将木块放入水中，用钢笔尖将木块压入水中浸没，记下水面所对体积V2
【解析】问题(1)：要求物体的密度，需要知道哪些物理量？答：物体的质量和体积。
问题(2)：小刚用弹簧测力计测出物体的重力，怎样由重力求物体的质量？
答：G=mg，由此可得：m=G/g。
问题(3)：小刚为什么要把石块浸没在水中？答：石块浸没在水中时，石块排开水的体积和石块体积相等。根据F=ρV排g，可以通过浮力间接求出石块的体积。
问题(4)：要通过浮力求出石块排开液体的体积，需要知道什么物理量？
答：要知道液体的密度。
问题(5)：密度比水小的物体放在水中静止时，受到的浮力和物体重力有何关系？排开水的体积等于物体体积吗？
答：密度比水小的物体放在水中静止时，受到的浮力等于物体的重力。物体漂浮在水面上，一部分露出水面，排开水的体积小于物体体积。
4．(2020河北模拟)现有一形状不规则的木块，小明同学用图甲、乙、丙所示的方法测出了木块的密度，实验步骤如下：
(1)向容器内倒入适量的水，水的体积记作V1
(2)将木块轻轻放入容器中，液面上升至V2；
(3)用细针将木块按压，使 ，液面上升至V3．
请根据实验数据计算出木块密度ρ= ．
【答案】
【答案】①大；物体排开液体的体积；②0.3；③丙、丁；④1.2；⑤1.2；⑥等于。
【解析】①由图知，丙中物体排开水的体积更大，弹簧测力计的示数更小，说明受到的浮力更大，且浮力大小与物体排开液体的体积有关；
②由甲图知，物体的重力G=3.6N，由图丁知，弹簧测力计的示数为3.3N，可知物体受到的浮力为：F浮=G﹣F=3.6N﹣3.3N=0.3N；
③图丙丁，物体都是完全浸没，排开液体的体积相同，液体的密度不同，测力计的示数不同，即所受浮力不同，可知浮力的大小与液体的密度有关；
④由图甲知，木块的重力G=1.2N，因为木块漂浮，所以F浮=G=1.2N；
⑤空桶的重力为0.4N，桶和水的总重为1.6N，可知排开水的重力为G排=G总﹣G桶=1.6N﹣0.4N=1.2N；
⑥由④⑤数据可知，浮在水上木块受到的浮力大小等于它排开的水所受的重力。
8.(2020四川广元模拟)在“测量物质的密度”实验中
(1)用调节好的天平测金属块质量，天平平衡时砝码及游码在标尺上的位置如图甲所示，金属块质量m
为 g。
(2)用细线系住金属块放入装有20mL水的量筒内，水面如图乙，则金属块体积V为 cm3。
(3)计算出金属块密度ρ＝ g/cm3。
(4)实验所用细线会对测量结果造成一定误差，导致测密度值 (选填“偏大”或“偏小”)。
(5)在上面实验基础上，利用弹簧测力计和该金属块，只需增加一个操作步骤就能测出图丙烧杯中盐水的密度。增加的步骤是： 。
盐水密度表达式ρ盐水＝ (选用所测物理量符号表示)。
【答案】(1)m=20g+5g+2g=27g；
(2)V=30cm3-20cm3=10cm3；
(3)金属块的密度为：2.7g/cm3；
(4)偏小；
(5)用细线系住金属块，将它完全浸没到盐水中，测得弹簧测力计的示数为F；
根据阿基米德原理和浮力得到盐水密度的表达式为：
【解析】(1)根据标尺上的分度值读出游码上的质量；金属块的质量等于砝码的总质量加上游码所对的刻度值；(2)金属块的体积等于量筒内后来的体积数减去原来的体积数；(3)利用密度公式计算金属块的密度；(4)所用的细线会导致测量的体积偏大；(5)利用弹簧测力计称出金属块在盐水中受到的浮力，利用阿基米德原理计算出盐水的密度。
9.(2020山西模拟)探究“影响浮力大小的因素”时,小红做了如图所示的实验。请你根据她的实验探究,回答下列问题:
(1)比较图B和C可知,物体受到的浮力大小与排开液体的________有关。
(2)比较图C和E可知,物体受到的浮力大小与液体的________有关。
(3)比较图C和________可知,浮力的大小与物体浸没在液体中的深度无关。
(4)图E中物体受到浮力大小为________N。
(5)比较图C和E可知,水对杯底部的压强________(选填“大于”“小于”或“等于”)酒精对杯底部的压强。
【答案】(1)体积 (2)密度 (3)图D(4)0.8(5)大于
【解析】(1)图B中物体排开液体的体积较小,浮力为4.0N-3.5N=0.5N;
图C排开液体的体积较大,受到的浮力为4.0N-3.0N=1.0N;
可知物体受到的浮力大小与排开液体的体积有关。
(2) 图C中物体完全浸没在水中,受到浮力为4.0N-3.0N=1.0N;
图E完全浸没在酒精中,受到的浮力为4.0N-3.2N=0.8N,可知物体受到的浮力大小与液体
的密度有关。
(3) 利用控制变量的方法分析,图C和图D中,物体都是完全浸没在水中,液体的密度相同,深度不同,但受到的浮力不变,可知浮力的大小与物体浸没在液体中的深度无关。
(4) 利用称重法求出图E中物体受到浮力大小为4.0N-3.2N=0.8N。
(5)比较图C和图E可知,液体到容器底部的高度相同,水的密度大于酒精的密度,根据p=ρgh,可知水对杯底部的压强大于酒精对杯底部的压强。
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