分析液面升降的主要类型有:
1、纯冰在纯水中熔化;
2、纯冰在盐水(或其它密度比水大的液体)中熔化;
3、纯冰在密度比水小的液体中熔化;
4、含有木块(或其它密度比水小的固体)的冰块在纯水中熔化;
5、含有石块(或其它密度比水大的固体)的冰块在纯水中熔化;
6、含有煤油(或其它密度比水小的液体)的冰块在纯水中熔化;
7、一块冰漂浮在容器的水面上,冰块中含有一定质量的气体(空气、氢气、二氧化碳),当冰完全熔化后,容器中的水面如何变化?
例1:有一块冰浮在容器的水面上,当冰块完全熔化后,水面高度将怎样变化?
解:冰块熔化前排开水的体积(即图中斜线部分)为:
V排=F浮/ρ水g=G冰/ρ水g=m冰/ρ水(∵漂浮时F浮=G冰)
冰块化成的水的体积为:
V=m水/ρ水=m冰/ρ水(∵冰化成水后质量不变m冰= m水)
所以液面高度不变
推论:纯水水面上浮有纯冰.当冰熔化时液面将不变。当冰熔化时,水对容器底的压强不变。
例2:若一冰块在水中,冰块与容器底部相接触并相互间有压力,则当冰块完全熔化后,容器内的水面将怎样变化?
解析:冰块没有漂浮在水面上,冰块所受浮力小于冰块所受重力,所以熔化前F浮<G冰 , 而F浮=G排ρ水g V排, 即ρ水g V排<G冰,故得V排<G冰/(ρ水g)
熔化为水的体积 V水=m水/ρ水= m冰/ρ水= G冰/(ρ水g)
所以V排<V水,即熔化后水面要上升。
例3:有一块冰漂浮在一杯浓盐水中(冰的密度是0.9×103千克/米3;浓盐水的密度是1.1×103千克/米3).如果冰块全部熔化后,则 ( )
A.液面不变 B.液面上升 C.液面下降 D.无法判断
解析:冰块熔化前,在盐水中处于漂浮状态.则有F浮=G,即
ρ盐g V排=m冰g
V排=m冰/ρ盐........(1)
冰块熔化后,排开液体的体积等于冰熔化成水的体积,即
V’排=V水= m水/ρ水(∵冰化成水后质量不变m冰= m水, m水/ρ水=m冰/ρ水)……..(2)
比较冰块熔化前与冰块熔化后排开液体的体积可得
m冰= m水, ρ水<ρ盐 。 比较(1) .(2)可知V’排>V排,冰块在浓盐水中熔化后。液面上升.
例4:有一块冰漂浮在一杯酒精(或煤油等)中,当冰块完全熔化后,液面高度将怎样变化?
冰块熔化前,在酒精中处于漂浮状态.则有F浮=G,即
ρ酒g V排=m冰g
V排=m冰/ρ酒........(1)
冰块熔化后,排开液体的体积等于冰熔化成水的体积,即
V’排=V水= m水/ρ水(∵冰化成水后质量不变m冰= m水, m水/ρ水=m冰/ρ水)……..(2)
比较冰块熔化前与冰块熔化后排开液体的体积可得
m冰= m水, ρ酒<ρ水 。 比较(1) .(2)可知V’排<V排,冰块在酒精中熔化后。液面下降.
推论:
例5: 在盛水的烧杯中漂浮着一块冰,冰中夹着一小木块,当冰完全熔化为水时,水面将如何变化?
冰块漂浮时:F浮=G冰+G木
ρ水gV排= G冰+G木,
V排= (m冰+m木)/ ρ水=m冰/ρ水+m木/ρ水
当冰块化成水时:m冰= m水, m水/ρ水=m冰/ρ水
V排= m水/ρ水+ m木/ρ水……..(1)
又因为木块仍漂浮,F木浮= G木
ρ水gV木排= m木g
V木排=m木/ρ水
V’排=V水+ V木排= m水/ρ水+ m木/ρ水……..(2)
由(1) .(2)得:V排= V’排 故当冰完全熔化成水时,水面不变。
推论:当冰块中含有密度比水小的固体(如小蜡块)或将密度比水小的固体放在冰块上浮于容器内水面上,则冰熔化后,仿照上述方法推算可知,水面将保持不变。
例6:有一块冰中含有小石块,浮在容器的水面上,当冰块完全熔化后,水面高度怎样变化?
解:冰块熔化前排开水的体积为:
V排=F浮/ρ水g=G总/ρ水g=(G冰+G石)/ρ水g=(m冰+m水)/ρ水 ①
熔化后的体积为冰化成的水的体积加上沉在容器底的石块的体积,即:
V=V水+V石=m水/ρ水+m石/ρ石=m冰/ρ水+m石/ρ石 ②
比较①②式,∵ρ石>ρ水,∴V<V排
所以液面下降。
推论:当冰块中含有密度比水大的物体(如小铁块、盐水等)或将密度比水大的物体放在冰块上浮于容器内水面上,则冰熔化后,物体沉入水底,水面将下降。
例7:有一块冰中含有液态的煤油,浮在容器内的水面上,当冰块完全熔化后,液面高度将怎样变化?
冰块熔化前排开水的体积为:
V排=F浮/ρ水g=G总/ρ水g=(G冰+G油)/ρ水g=(m冰+m油)/ρ水 ①
熔化后的体积为冰化成的水的体积加上煤油的体积,即:
V=V水+V油=m水/ρ水+m油/ρ油=m冰/ρ水+m油/ρ油 ②
比较①②式,∵ρ油<ρ水,∴V>V排
所以液面上升。
例8:一块冰漂浮在容器的水面上,冰块中含有一定质量的气体(空气、氢气、二氧化碳),当冰完全熔化后,容器中的水面如何变化?
冰块熔化前排开水的体积为:
V排=F浮/ρ水g=G总/ρ水g=(G冰+G气体)/ρ水g=(m冰+m气体)/ρ水 ①
熔化后的体积为冰化成的水的体积等于冰排开水的体积,但气体挥发,总体积减少,V排′<V排,所以液面下降。
变化:若漂浮在水面上的冰块中有一气泡,当冰块融化后水面将怎么变化?冰块里的气泡的质量可以忽略不计,冰熔化后水面保持不变.
例9 :盆内水面上有一塑料碗,碗内有木块,若将木块投入水中,盆内水面将 (填“上升”、“下降”或“保持不变”)。
解析:投入前,碗与木块漂浮在水面上,所以F浮=G碗+G木
据阿基米德原理,得F浮=G排=ρ水gV排
所以ρ水gV排=G碗+G球,故得
V排=G碗/ρ水g+G木/ρ水g ⑴
木块投入水中后,盆漂浮在水面上,分析得V盆排=G盆/ρ水g
木块漂浮在水面上,则V木排=G木/ρ水g
因此,后来碗与木块排开水的总体积
V总排=V盆排+V木排=G盆/ρ水g +G木/ρ水g ⑵
由⑴⑵得V总排=V排,所以液面保持不变。
例10:盆内水面上有一塑料碗,碗内是实心铁块,将铁块投入水中,盆内水面将(填“上升”、“下降”或“保持不变”)。 。
解析:投入前,碗与铁块漂浮在水面上,与上题分析相同,得
V排=G碗/ρ水g+G铁/ρ水g ⑴
铁块投入水中后,盆仍漂浮在水面上V盆排=G盆/ρ水g
而铁块沉入水中, V铁排=V铁=G铁/ρ球g
因此后来碗与铁块排开水的总体积
V总排=V盆排+V铁排=G盆/ρ水g +G铁/ρ铁g ⑵
因为ρ铁>ρ水,所以V总排<V排,液面下降。
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