浮力这部分内容是初中物理中比较难的一部分,特别是一些特殊题型解法让学生感觉很头疼。对于这类题型,需要认真的总结归纳,弄清楚题目所涉及的知识之间的相互关联,掌握分析该类题型的方法和技巧,再辅之以相当数量的练习,这样才能达到牢固掌握和举一反三的目的。下面就浮力中的液面升降问题的处理方法,简单阐述一下。
液面升降的主要类型有:
1、冰在水中熔化;
2、冰在盐水(或其他密度比水大的液体)中熔化;
3、含有木块(或其他密度比水小的固体)的冰在水中熔化;
4、含有石块(或其他密度比水大的固体)的冰在水中熔化;
5、含有煤油(或其他密度比水小的液体)的冰在水中熔化。
以上类型,一般的问题都是判断冰完全熔化后,容器中液面的高度变化情况。
对于类型1,漂浮在水中的冰块完全熔化后,水面高度如何变化的问题,介绍一下常规方法。
如图,漂浮在水面上的冰块对应的V排为图中红色斜线部分体积。首先要明确的是,如果冰熔化都得到水的体积V水=V排,则容器中液面高度不变,若V水>V排,则液面高度上升,若V水<</SPAN>V排,则液面高度降低。因此,此题关键是判断V水与V排的关系。V水是冰熔化后得到水的体积,而冰熔化过程中质量不变,根据这个特点,冰熔化后得到水的重力等于冰的重力,即 ;而V排是与冰的浮力直接相关的,由于冰漂浮在水中,所以浮力等于冰的重力,即 ,综合两个方程,得到 ,则V水=V排,从而得到容器中液面高度不变。
用类似的方法,可以分析别的类型。例如类型3,包含有木块的冰漂浮在水中,当冰完全熔化之后,木块漂浮,判断容器中液面高度的变化,如图:
如果我们用V排来表示冰和木块整体漂浮是对应的排开水的体积,用V水表示冰完全熔化后得到水的体积,用V木排表示冰熔化后木块漂浮时木块排开液体的体积,那么,液面高度的变化需要判断的是V排与V水+V木排的大小关系,若两者相等,液面高低不变,若前者大于后者,则液面降低,反之,液面升高,判断方法依然是利用浮力和重力的关系,推导公式就可以得到。但是我们会发现,使用这种常规方法往往需要经过复杂的同时推演,特别是对于后面的一个类型,处理起来非常麻烦。下面介绍一个比较简单的方法。
通过前面的分析,我们不难发现,容器中液面高度的变化,直接跟V排有关,而V排直接与浮力有关,因此我们可以从浮力的变化入手,来考虑这个问题。
首先,我们可以认为,冰熔化成水之后,这部分水依然是漂浮(或悬浮)在容器中原有的水中的,那么它所受到的浮力应该等于自身重力,那也就是等于冰的重力。那么我们来看类型1,冰熔化前,冰受到的浮力等于冰的重力,冰熔化后,得到的水受到的浮力等于水的重力,也就是熔化前后浮力相等,而容器中液体就是水,密度未变,那么V排必然不变,进而容器中液面高度也不发生改变。也就是说,从这个角度分析,我们只需要判断熔化前后V排的变化就能直接得到液面的变化情况了,从而大大简化了分析过程。
利用同样的思路,来分析其他类型。
类型2:漂浮在盐水中的冰,熔化后液面高度如何改变?
分析过程:熔化前,冰受到的浮力等于冰的重力,熔化后,得到的水受到的浮力等于冰溶化成水的重力,熔化前后浮力相等,而熔化后,盐水的密度减小(冰熔化得到的水加入到了原有的盐水中,使盐水密度变小),根据 ,则V排必然变大,则液面必然上升。
类型3:含有木块的冰漂浮在水中,冰完全熔化后,木块依然漂浮,液面如何变化?
分析过程:熔化前,浮力等于冰和木块的重力,熔化后,浮力分两部分考虑。第一部分是熔化得到的水所受的浮力,这部分的浮力等于原来冰的重力,另一部分是木块受到的浮力,由于漂浮,还是等于木块重力,因此,熔化后总的浮力依然等于冰和木块的重力。熔化前后浮力不变,容器中液体密度未变,则V排不变,液面高度不变。
类型4:含有石块的冰漂浮在水面上,冰完全熔化后,石块沉底,液面高度如何变化?
分析过程:熔化前浮力等于冰的重力加上石块重力。熔化后,得到的水所受重力依然等于原来冰的重力,石块沉底,受到的浮力小于石块重力,因此,熔化后的浮力小于熔化前的浮力,液体密度未变,则与熔化前相比,V排显然变小,则液面降低。
类型5:含有煤油的冰漂浮在水面上,冰完全熔化后,液面高度如何变化?
分析过程:熔化前,浮力等于冰的重力加上煤油的重力。熔化后,得到的水受到的浮力依然等于原来冰的重力,煤油会漂浮在水面上,所受浮力等于煤油重力,因此熔化后总的浮力等于熔化前的浮力。比较熔化前后容器中的液体,熔化前只有水,熔化后既有水,也有煤油,相当于水和煤油的混合液,而混合也的密度小于水的密度,也就是说,熔化后,液体密度降低,根据 ,熔化前后浮力相等,而熔化后液体密度减小,则V排变大,因此液面上升。
通过上面的分析,我们可以看到,从V排的角度去分析液面升降问题,可以避免繁琐的公式推演,但对于学生思维上的要求更高一些,需要综合考虑熔化前后受到浮力的特点以及液体密度的变化。
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