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  4. 浮力及阿基米德原理功率的计算

由航空工业六○五研究所自行设计的“海鸥300”轻型水陆两栖飞机(如图所示)将于今年10月首飞,该机可载4-6名乘客,配置有高性能的发动机和先进航空仪表设备,可用于公务飞行、货

一、题文

由航空工业六○五研究所自行设计的“海鸥300”轻型水陆两栖飞机(如图所示)将于今年10月首飞,该机可载4-6名乘客,配置有高性能的发动机和先进航空仪表设备,可用于公务飞行、货物运输、海岸巡逻等。设飞机的总质量为4000kg,g取10N/kg。
(1)飞机停在水面时,排开水的体积是多少m3?
(2)若飞机在空中以360km/h的速度水平匀速飞行时,它在水平方向受到的阻力为飞机重力的0.1倍,飞机发动机的功率是多少W?

考点提示:浮力及阿基米德原理,功率的计算

二、答案

解:
(1)飞机停在水面时,
所以:
(2)飞机水平匀速飞行时,动力等于阻力,即:F=0.1G=0.1mg=0.1×4000kg×10N/kg=4000N, 
飞机的功率:

三、考点梳理

知名教师分析,《由航空工业六○五研究所自行设计的“海鸥300”轻型水陆两栖飞机(如图所示)将于今年10月首飞,该机可载4-6名乘客,配置有高性能的发动机和先进航空仪表设备,可用于公务飞行、货》这道题主要考你对 浮力及阿基米德原理功率的计算 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:浮力及阿基米德原理,功率的计算

考点名称:浮力及阿基米德原理
  • 浮力:
    (1)定义:浸在液体中的物体受到向上托的力叫做浮力。
    (2)施力物体与受力物体:浮力的施力物体是液体 (或气体),受力物体是浸入液体(或气体)中的物体。
    (3)方向:浮力的方向总是竖直向上的。
    阿基米德原理:
    (1)原理内容:浸在液体里的物体受到液体竖直向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体受到的重力。
    (2)公式:,式中ρ表示液体的密度,V是被物体排开的液体的体积,g取9.8N/kg。
  • 浮力大小跟哪些因素:
    有关浸在液体中的物体受到浮力的大小,跟物体浸入液体中的体积有关,跟液体的密度有关,跟物体浸入液体中的深度无关。跟物体本身密度大小无关。
  • 阿基米德原理的五点透析:
    (1)原理中所说的“浸在液体里的物体”包含两种状态:一是物体的全部体积都浸入液体里,即物体浸没在液体里;二是物体的一部分体积浸入液体里,另一部分露在液面以上。

    (2)G指被物体排开的液体所受的重力,F= G表示物体受到的浮力的大小等于被物体排开的液体的重力。

    (3)V是表示被物体排开的液体的体积,当物体全部浸没在液体里时,V=V;当物体只有一部分浸入液体里时,则V<V

    (4)由可以看出,浮力的大小只跟液体的密度和物体排开液体的体积这两个因素有关,而跟物体本身的体积、密度、形状、在液体中的深度、液体的多少等因素无关。

    (5)阿基米德原理也适用于气体,但公式中ρ应该为ρ

    控制变量法探究影响浮力大小的因素:
         探究浮力的大小跟哪些因素有关时,用“控制变量法”的思想去分析和设计,具体采用“称量法”来进行探究,既能从弹簧测力计示数的变化中体验浮力,同时,还能准确地测出浮力的大小。
    例1小明在生活中发现木块总浮在水面,铁块却沉入水底,因此他提出两个问题:
    问题1:浸入水中的铁块是否受到浮力?
    问题2:浮力大小与哪些因素有关?
    为此他做了进一步的猜想,设计并完成了如图所示实验,
    (1)(b)、(c)图中弹簧测力计示数均小于(a)图中弹簧测力计示数,说明浸入水中的铁块__(选填 “受到”或“不受到”)浮力;
    (2)做___(选填字母)两次实验,是为了探究铁块浸没在水中时所受浮力大小与深度是否有关;
    (3)做(d)、(e)两次实验,是为了探究浮力大小与 __的关系。

    解析(1)物体在水中时受到水向上托的力,因此示数会变小。
    (2)研究浮力与深度的关系时,应保持V和ρ不变,改变深度。
    (3)在V不变时,改变ρ,发现浮力大小改变,说明浮力大小与ρ有关。
    答案(1)受到(2)(c)、(d)(3)液体密度

    公式法求浮力:
         公式法也称原理法,根据阿基米德原理,浸入液体中的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力(表达式为:F=GgV)。此方法适用于所有浮力的计算。
    例1一个重6N的实心物体,用手拿着使它刚好浸没在水中,此时物体排开的水重是10N,则该物体受到的浮力大小为____N。
    解析由阿基米德原理可知,F=G=10N。
    答案10

    实验法探究阿基米德原理:
         探究阿基米德原理的实验,就是探究“浮力大小等于什么”的实验,结论是浮力的大小等于物体排开液体所受的重力。实验时,用重力差法求出物体所受浮力大小,用弹簧测力计测出排开液体重力的大小,最后把浮力与排开液体的重力相比较。实验过程中注意溢水杯中的液体达到溢口,以保证物体排开的液体全部流入小桶。
    例1在探究“浮力大小等于什么”的实验中,小明同学的一次操作过程如图所示。

     (1)测出铁块所受到的重力G铁;
    (2)将水倒入溢水杯中;
    (3)把铁块浸入溢水杯中,读出弹簧测力计示数F;
    (4)测出小桶和被排开水的总重力G;
    (5)记录分析数据,归纳总结实验结论,整理器材。
    分析评估小明的实验,指出存在的问题并改正。
    解析:在探究“浮力大小等于什么”的实验中,探究的结论是浮力的大小等于物体排开的液体所受到的重力,所以实验时,需要用弹簧测力计测出铁块受到的浮力和它排开水的重力进行比较得出结论,因此实验过程中需要测空小桶的重力G,并且将溢水杯中的水加至溢水口处。
    答案:存在的问题:
    (1)没有测空小桶的重力 (2)溢水杯的水量不足
    改正:(1)测空小桶的重力G(2)将溢水杯中的水加至溢水口处
  • 浮力知识梳理:
  • 曹冲称象中的浮力知识:
       例曹冲利用浮力知识,巧妙地测出了大象的体重。请你写出他运用的与浮力有关的知识_____、 ____,另外,他所用到的科学研究方法是:_____和______.
      
       解析:曹冲称象的过程是首先把大象放在船上,在水面处的船舷上刻一条线,然后把大象牵上岸。再往船上放入石块,直到船下沉到船舷上的线再次与水面相平时为止,称出此时船上石头的质量即为大象的质量。两次船舷上的线与水面相平,根据阿基米德原理可知,为了让两次船排开水的体积相同,进而让两次的浮力相同,再根据浮沉条件,漂浮时重力等于浮力可知:船重+大象重=船重+石头重,用多块石头的质量替代了不可拆分的大象的质量,这是等效替代法在浮力中的一个典型应用。
     
       答案:浮沉条件  阿基米德原理  等效替代法化整为零法
考点名称:功率的计算
  • 功率的计算公式:
    (1)P=W/t,其中P代表功率,单位为W,W代表功,单位为J;t代表时间,单位为s。
    (2)因为P=W/t,W=Fs,v=s/t,所以P=W/t=Fs/t=Fv,P=Fv是功率的又一表达式。
  • 公式法计算功率:
         运用时一定要注意三个量的对应关系。“W”一定是对应“t”完成的,不能张冠李戴。单位要统一,P、W、t的单位分别为瓦、焦、秒。
    例1 如图所示,铁明同学向上跳台阶进行晨练,铁明重500N,在10s内匀速连跳12个台阶,每个台阶的高度为0.2m。在这个过程中,已知铁明克服摩擦做功为2800J,求出此过程中:

    (1)铁明竖直向上跳的平均速率多大?
    (2)铁明克服重力做功是多少?
    (3)铁明做功的总功率多大?
    解析:竖直向上跳的平均速度可以通过向上跳的总高度与所用时间利用速度公式求出,克服重力做功等于重力与高度的乘积,即,总功率可以通过所做的总功和时间利用功率公式求得。
    (1)0.24m/s
    (2)
    (3)

    例2在打捞海底沉船时,常用水下机器人潜入水下打捞船上物品,已知ρ海水=1.03×103kg/m3
    (1)机器人在水下70m处受到海水产生的压强是多大?
    (2)某时刻机器人在水下用竖直向上的力举着体积为0.02m3,密度为2.7×103kg/m3的物体静止不动,求该力的大小。
    (3)若机器人在水下运动时,所受海水阻力与速度的关系如图所示,求机器人在水下以0.5m/s的水平速度匀速运动时,机器人水平推进力的功率。

    解析:(1)由液体压强公式得,
    (2)物体在水下受平衡力的作用,则

    (3)由题图可知,海水阻力与机器人的运动速度成正比,当机器人运动速度为0.5m/s时,f=175N 机器人匀速前进时,机器人水平推进力F=f
    P=Fv=175N×0.5m/s=87.5W
    答案:(1)7.21×105Pa(2)334N(3)87.5W

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