(2018•达州)小陈同学在老师的指导下完成了以下实验:
①用弹簧测力计测出一个带盖子的空玻璃瓶的重力,如图甲所示;
②用手拿着这个盖紧瓶盖的空玻璃瓶浸没在水中,放手后发现玻璃瓶上浮;
③将一个铁块装入玻璃瓶并盖紧盖子,放入水中放手后发现玻璃瓶下沉;
④取出玻璃瓶并擦干瓶上的水,挂在弹簧测力计上,保持玻璃瓶竖直,然后从图乙所示位置慢慢浸入水中,并根据实验数据绘制了弹簧测力计的示数F与玻璃瓶下表面浸入水中深度h的关系图象如图丙所示。
(1)装有铁块的玻璃瓶全部浸没在水中时受到的浮力是 N。
(2)BC段说明物体受到的浮力大小与浸没的深度 (选填“有关”、“无关)。
(3)在第②操作步骤中空玻璃瓶浸没在水中时受到的浮力为 N。
(4)小陈认真分析以上实验数据和现象后发现,物体的沉浮与物体的重力和所受浮力有关,其中上浮的条件是 。
(5)若圆柱形容器的底面积为100cm2,在乙图中,当玻璃瓶浸没后,水又对容器底的压强增加了 Pa。
(6)细心的小陈同学发现玻璃瓶上还标有100ml的字样,于是在装有铁块的玻璃瓶内装满水并盖上瓶盖,再用弹簧测力计测出总重力,如图丁所示,此时弹簧测力计示数为3.1N,根据以上数据他算出了铁块的密度为 kg/m3。
解:
(1)由图象知,当瓶子浸入深度为0时,弹簧测力计示数为瓶子和铁块的总重力,即G=2.2N;
当瓶子浸入深度达到6cm后弹簧测力计不再减小,说明瓶子浸没在水中,示数为0.6N,所以受到的浮力:F浮=G﹣F=2.2N﹣0.6N=1.6N;
(2)由图象知,BC段瓶子受到的弹簧测力计拉力不变,所以受到的浮力不变,说明物体受到的浮力大小与浸没的深度无关;
(3)浮力的大小与液体密度和物体浸入液体的体积有关,空玻璃瓶浸没在水中与装有铁块的瓶子浸没在水中时浸入水中体积相等,所以受到的浮力相等,都为1.6N;
(4)物体上浮的条件是物体受到浮力大于物体重力,即F浮>G;
(5)由阿基米德原理可得,当玻璃瓶浸没后,瓶子排开水中体积:
V排===1.6×10﹣4m3,
容器中水面上升体积与V排相等,即:△V=V排=S△h,
所以容器中水面上升高度:△h===1.6×10﹣2m,
所以水又对容器底的压强增加了:△p=ρ水g△h=1.0×103kg/m3×10N/kg×1.6×10﹣2m=160Pa;
(6)由图甲知,空瓶的重力G瓶=1.4N,瓶子和铁块的总重力G=2.2N,
铁块重力:G铁=G﹣G瓶=2.2N﹣1.4N=0.8N,
由题知,图丁中时弹簧测力计示数,即瓶子、水和铁块的总重力:G总=3.1N,
所以装入水的重力:G水=G总﹣G=3.1N﹣2.2N=0.9N,
加入水的体积:V水===9×10﹣5m3=90cm3,
铁块的体积:V=V容积﹣V水=100cm3﹣90cm3=10cm3,
所以铁块密度:ρ===0.8×103kg/m3。
故答案为:(1)1.6;(2)无关;(3)1.6;(4)F浮>G;(5)160(6)0.8×103。
(2018•达州)某实验小组的同学在进行“测量小灯泡的额定功率”的实验中,现有器材:电源(电压恒为6V)、开关、电压表、电流表各一个,导线若干,额定电压为3.8V的待测小灯泡(电阻约为12Ω),滑动变阻器两个(A:“5Ω2A“;B:“20Ω 0.5A”)。
(1)该实验的实验原理是 ;实验中,应选用的滑动变阻器是 (选填“A”或“B”)。
(2)如图甲所示是小田同学连接的实物电路图,图中只有一根导线连接错误,请你在图中用“×”标出这根错接的导线,只改接一根导线使电路成为正确的电路(不能与其他导线交叉)。
(3)小田确认电路连接无误后闭合开关,无论怎样移动滑动变阻器的滑片,小灯泡始终不发光且电压表的示数都接近电源电压,则电路的故障是 。
(4)排除故障后,移动滑动变阻器的滑片,并绘制出了小灯泡的电流随电压变化的图象如图乙所示,则该小灯泡的额定功率为 W。
(5)该组的另一同学接着实验时,发现电压表0~15V量程已经损坏,0~3V量程还可以正常使用,在不添加器材的情况下,为了测出该小灯泡的额定功率,请你在丙图中的虚线框内画出正确的电路图。
(6)由图乙推知:小灯泡的实际电压是额定电压一半时的电功率为P1,小灯泡的实际电流是额定电流一半时的电功率为P2,则P1 P2(选填“大于”、“小于或“等于”)。
解:(1)该实验的实验原理是P=UI;
小灯泡额定电压为3.8V,灯丝电阻约为12Ω,由欧姆定律,灯的额定电流约为:
I==≈0.32A,电源电压为6V,小灯泡额定电压为3.8V,根据串联电路的规律及欧姆定律,灯正常发光时,变阻器连入电路中的电阻:
R滑===6.9Ω,选用“20Ω 0.5A”的滑动变阻器B;
(2)灯的额定电压为3.8V,故电压表应选用大量程与灯并联,如下图1所示:
(3)经分析,小田确认电路连接无误后闭合开关,无论怎样移动滑动变阻器的滑片,小灯泡始终不发光且电压表的示数都接近电源电压,则电路的故障是灯泡断路。
(4)由绘制出了小灯泡的电流随电压变化的图象知,灯的额定电压下的电流为0.3A,则该小灯泡的额定功率为:
P=UI=3.8V×0.3A=1.14W;
(5)根据串联电路电压的规律,当变阻器的电压为:6V﹣3.8V=2.2V时,灯的电压为额定电压,故将电压表并联在变阻器的两端,如下图2所示:
(6)由图乙知,小灯泡的实际电压是额定电压一半时的电流约为0.22A,电功率为:
P1=1.8V×0.22A=0.396W;
小灯泡的实际电流是额定电流一半时(0.15A)对应的电压约为1V,灯的实际电功率为:
P2=1V×0.15A=0.15W,则P1大于P2。
故答案为:(1)P=UI;B;(2)如上图1;(3)灯泡断路;(4)1.14;(5)如上图2所示;(6)大于。
(2018•达州)如图所示的电路中,小灯泡上标有“6V 3.6W”字样,滑动变阻器R1的最大电阻为40Ω.当只闭合S、S2,滑动变阻器的滑片P在中点时,小灯泡正常发光;当所有开关都闭合,滑片滑到A端时,A1、A2的示数之比是3:1(灯的电阻保持不变)。
求:(1)电源电压
(2)当只闭合S、S2,滑动变阻器的滑片P在A端时,小灯泡两端的实际电压。
(3)小灯泡消耗的最小电功率(不能为0)
解:(1)小灯泡上标有“6V 3.6W”字样,表示灯的额定电压为6V,额定功率为3.6W,灯的额定电流:
I===0.6A,灯正常发光时的电阻:RL===10Ω,
当只闭合S、S2,滑动变阻器的滑片P在中点时,灯与变阻器串联,小灯泡正常发光,故灯的电压为6V,电路中的电流为0.6A,根据欧姆定律和串联电路电压的规律,电源电压:
U=UL+U滑=6V+I×0.5R滑=6V+0.6A×20Ω=18V;
(2)当只闭合S、S2,滑动变阻器的滑片P在A端时,灯与变阻器的最大电阻串联,根据电阻的串联,
R串联=RL+R滑=10Ω+40Ω=50Ω,由欧姆定律,小灯泡两端的实际电压:
U实=I实RL==×10Ω=3.6V
(3)所有开关都闭合,滑片滑到A端时,R2与变阻器的最大电阻并联,电流表A2测R2的电流,电流表A1测总电流,A1、A2的示数之比是3:1,根据并联电路电流的规律,通过变阻器的电流为R2的2倍,根据分流原理,
R2=2×40Ω=80Ω;
当灯的电流最小时,根据P=I2R,灯的实际功率最小,由图知,当R2与灯串联,即闭合S3时,电路的总电阻最大,电路的电流最小,I小===0.2A,故小灯泡消耗的最小电功率:
P=I小2RL=(0.2A)2×10Ω=0.4W。
答:(1)电源电压为18V;
(2)当只闭合S、S2,滑动变阻器的滑片P在A端时,小灯泡两端的实际电压为 3.6V;
(3)小灯泡消耗的最小电功率为0.4W。
(2018•达州)如图是利用滑轮组打捞水中物体的简化模型示意图,工人用一滑轮组从水中打捞物体。已知:物体的质量为90kg且以恒定速度匀速上升,当物体完全露出水面,工人对滑轮组绳子自由端的拉力F1为400N,此时滑轮组的机械效率η1为75%(绳的质量、滑轮与轴的摩擦以及水的阻力均忽略不计,g=10N/kg)。
(1)请你根据题目中的条件,判断出工人所使用的滑轮组是下列中的 图。
(2)工人的质量为60kg,双脚与地面接触面积为2.5×10﹣3m2,物体浸没在水中和完全被打捞出水面时工人对地面的压强变化了4×104Pa,求物体浸没在水中时受到的浮力。
(3)若物体完全浸没在水中时,工人拉力的功率为180W,求物体上升的速度。
解:(1)当物体完全露出水面时,滑轮组的机械效率:η===,
所以通过动滑轮绳子的段数:n====3,
A图中通过动滑轮绳子的段数为3,B图中通过动滑轮绳子的段数为4,C图中通过动滑轮绳子的段数为5,所以工人所使用的滑轮组是A图;
(2)由题知,绳的质量、滑轮与轴的摩擦以及水的阻力均忽略不计,当物体完全露出水面时,F=(G物+G动)
G动=3F﹣G物=3×400N﹣90kg×10N/kg=300N,
此时人对地面压力:F压=G人﹣F=60kg×10N/kg﹣400N=200N,
物体完全浸没在水中时对滑轮组的拉力:F拉'=G物﹣F浮,完全露出后物体对滑轮组拉力F拉=G物,所以物体被打捞出水面后对滑轮组拉力增大,绳子自由端拉力随之变大,人对地面压力变小,压强变小,
由p=可得物体完全露出水面后,人对地面压力增大量:△F=△pS=4×104Pa×2.5×10﹣3m2=100N,
所以物体完全浸没在水中时人对地面压力F压'=F压+△F=200N+100N=300N,
此时人对绳子自由端拉力:F'=G人﹣F压'=60kg×10N/kg﹣300N=300N,
且F'=(F拉'+G动)=(G物﹣F浮+G动)
所以:F浮=G物+G动﹣3F'=90kg×10N/kg+300N﹣3×300N=300N;
(3)由P===Fv可得,物体完全浸没在水中时绳子自由端的速度:
v===0.6m/s,
由v=nv物可得,物体的上升速度:
v物===0.2m/s。
答:(1)A;
(2)物体浸没在水中时受到的浮力为300N;
(3)物体上升的速度为0.2m/s。
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