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液面升降问题

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液面升降问题

集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#

液面升降问题

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。1、一块冰漂浮在容器的水面上,冰块中含有一块小木块,当冰完全熔化后,容器中的水面如何变化

2、一块冰漂浮在容器的水面上,冰块中含有一定质量的煤油,当冰完全熔化后容器中的液面如何变化

3、一块冰漂浮在容器的水面上,冰块中含有一定质量的盐水,当冰完全熔化后,容器中的水面如何变化

4、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

对于液体中的物体由于某种变化而引起的液面升降问题,经常困惑着学生.考虑到这类问题在各种考试中多以填空、选择题的形式出现,本文介绍一种简便快捷的判断方法——“状态法”.

一、什么叫状态法

所谓“状态法”,就是对变化前后液体中的物体所处的状态进行比较来判断液面的

升降.

二、如何用“状态法”速断液面升降

若变化前后液体中的物体都处于漂浮、悬浮状态,而无沉体出现,则液面不变若液

体中的物体,在变化前无沉体,而变化后有沉体出现,则液面下降若液体中的物体,在变化前有沉体,而变化后无沉体出现,则液面升高.

说明变化前后液体中物体的总质量保持不变容器中液体的密度不变.

三、证明

设液体中的物体的总重为G,变化前后在液体中所受的总浮力分别为F浮、F浮′.

若变化前后均无沉体出现,由浮沉条件知

F浮′=F浮=G,ρ液gV排′=ρ液gV排,

则 V排′=V排,

液面不变.

若变化前无沉体,变化后有沉体,由浮沉条件知

F浮=G,F浮′<G,

则 F浮′<F浮,

即 V排′<V排,

故液面下降.

若变化前有沉体,变化后无沉体,由浮沉条件知

F浮<G,F浮′=G,

则 F浮′>F浮,

即 V排′>V排,

故液面上升.

四、应用举例

例1(2014年贵阳) 有三个实心小球甲、乙、丙,甲球在水中悬浮,乙球在水中

下沉,丙球漂浮在水面上.现将甲、乙、丙三球同时放在一只敞口的小铁盒里,然后将小铁盒漂浮在盛水的容器中(如图1所示),下列判断正确的是()

A. 甲 乙 丙

甲 乙 丙 图8-15

图8-15

只将小球甲从盒中取出放入水中后,容器中水面高度不变

B. 只将小球乙从盒中取出放入水中后,容器中水面高度下降

C. 只将小球丙从盒中取出放入水中后,容器中水面高度上升

D. 将甲、乙、丙三球同时放入水中后,容器中水面下降

解析 原来的铁盒在水中漂浮,将小球从盒中取出放入水中后,铁盒仍漂浮,甲球悬浮,乙球下沉,丙球漂浮.显然,只要不将乙球取出放入水中,就无沉体出现,容器中的水面不变当将乙球取出放入水中时,因有沉体出现,容器中的水面下降,故答案应选A、B、D.

3

例2 如图2所示,在一较大容器的水面上放一木块,木块上面放一个体积为1分米、重牛的物体,此时木块漂浮.如果将物体从木块上拿下并放入水中,当木块和物体都

静止时,容器中的水面将( )

A.上升 B.下降 C.不变 D.无法判断

解析 将物体从木块上拿下后,木块仍漂浮在水面,容器中水面的变化取决于物体放入水中静止时所处的状态.因为ρ物=G物/gV物=×103千克/米3<ρ水,所以物体在水中静止呈漂浮状态,容器中水面不变.故答案应选C.

例3 如图3所示,在盛水的缸底有一个实心铁球,水面上漂浮着一个脸盆.若将铁球捞出放入盆中,盆仍漂浮在水面上,则缸底所受水的压强(???? )

A.变大

B.变小

C.不变

D.无法判断

解析 此题虽然是液体压强大小问题,但根据液体压强公式p=ρgh知,水的密度不变,压强大小取决于水的深度,即此题实质仍是判断水面变化问题.

原来水中的铁球沉底,脸盆漂浮当将铁球捞出放入盆中后,脸盆和铁球呈漂浮状

态.由“状态法”可判断缸里的水面上升,则缸底受到水的压强变大,故答案应选A.

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