Question

【題目】在《物體的浮與沉》學(xué)習(xí)中知道若物體浸沒(méi)在液體中，處于靜止?fàn)顟B(tài)，則稱(chēng)為懸浮。不少同學(xué)認(rèn)為只要是平衡狀態(tài)下也可以稱(chēng)為懸浮狀態(tài)，大林同學(xué)提出如果在水中做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)受到液體阻力的作用不可稱(chēng)為懸浮狀態(tài)，為此全班同學(xué)展開(kāi)了激烈的討論，最后認(rèn)為若做勻速直線運(yùn)動(dòng)不能算懸浮狀態(tài)，同時(shí)提出物體在液體中所受阻力的大小與什么因素有關(guān)。同學(xué)們上網(wǎng)查詢(xún)資料了解到同一物體在同一液體中所受阻力與物體的迎流面積（形狀）和物體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。為了探究在液體中物體所受阻力的大小的影響因素，同學(xué)們借助自制潛水艇進(jìn)行了下列探究。

（1）讓自制潛水艇在水中處于懸浮狀態(tài)如圖A，然后再其底部放置一些體積相同質(zhì)量忽略不計(jì)的泡沫小球（如圖B），通過(guò)不斷調(diào)整發(fā)現(xiàn)自左向右在底部依次黏貼1個(gè)、4個(gè)、9個(gè)泡沫球，然后使其從水底部浮起，當(dāng)上浮一段時(shí)間進(jìn)入指定豎直磚墻的區(qū)域時(shí)，用照相機(jī)通過(guò)每隔相等的時(shí)間曝光一次的方法記錄潛水艇的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖C是其中一段的示意圖。對(duì)于在底部黏貼泡沫小球而不是其它地方黏貼的目的是_________。

對(duì)于圖中的這段運(yùn)動(dòng)過(guò)程，三次潛水艇上浮運(yùn)動(dòng)的速度之比是____，他們受到的液體阻力之比是______，由此可以得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是___________。

（2）為了研究“阻力與迎流面積（形狀）的關(guān)系”，同學(xué)們提出改變迎流面積（形狀），利用如圖D所示的潛水艇由水底同時(shí)浮出，比較潛水艇浮出水面的先后順序即可比較所受阻力的大小，這樣的方案____（“可行”或“不可行”），請(qǐng)你在圖的虛線框內(nèi)設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的方案簡(jiǎn)圖（兩個(gè)潛水艇模型即可），并作簡(jiǎn)單說(shuō)明。

（________） ___________。

（3）在一次實(shí)際的操作中，某同學(xué)讓自制潛水艇以5cm/s的速度勻速直線下潛，至杯底后排出100cm3的水后，該潛水艇以5cm/s的速度進(jìn)而勻速直線上浮，潛水艇的外殼及體積不發(fā)生改變，試求該潛水艇在水中勻速上升時(shí)受到的阻力約為（________）

A．1N B．0.5N C．0.25N D．0N

Answer 1

【答案】控制迎流面積或形狀相同 1:2:3 1:4:9 迎流面積（形狀）相同時(shí)或其他條件相同時(shí)阻力的大小與速度的平方成正比 不可行 控制體積、重力相同，僅改變迎流面積 B

【解析】

(1)[1]根據(jù)資料得知，同一物體在同一液體中所受阻力與物體的迎流面積(形狀)和物體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，在底部黏貼泡沫小球而不是其它地方黏貼，是為了保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)物體的迎流面積(或形狀)都相同；

[2]由圖C知，設(shè)每段長(zhǎng)度為s，每個(gè)時(shí)間間隔為t，則：

v1 ，

v2 ，

v3 ，

所以

v1:v2:v3=1:2:3；

[3]因?yàn)槿�次潛艇都做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以得到：

f1=G，f2=4G，f3=9G，

則：

f1:f2:f3=1:4:9；

[4]由上分析可知，迎流面積（形狀）相同時(shí)或其他條件相同時(shí)阻力的大小與速度的平方成正比；

(2)[5]由圖D知，在迎流面積改變時(shí)，物體的重力和體積也發(fā)生了變化，為控制其它變量不變，所以不可行；

[6]本題中潛水艇是上浮的，因此要設(shè)計(jì)本題的迎流面積主要看上表面的設(shè)計(jì)，前提是要求潛水艇兩次的體積和重力相同，確保上升時(shí)其它條件相同，僅改變阻力大小，再來(lái)看運(yùn)動(dòng)改變，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖所示：

；

[7]潛水艇是上浮的，因此要設(shè)計(jì)本題的迎流面積主要看上表面的設(shè)計(jì)，前提是要求潛水艇兩次的體積和重力相同，確保上升時(shí)其它條件相同，僅改變阻力大小，即控制體積、重力相同，僅改變迎流面積；

(3)[8]潛水艇兩次運(yùn)動(dòng)的速度相同，所以受到阻力的大小相同，潛艇的體積不變，所受浮力大小不變，當(dāng)潛艇下降時(shí)受力如圖所示：

；

則

①

排出水的重力：

，

潛艇上升時(shí)受力如圖所示：

；

則

②

f=f’ ③

聯(lián)立①②③得：

，

所以B符合題意。