浅谈初中物理中的浮冰问题

初中物理中浮力问题相对比较抽象,也比较难懂,而浮冰问题又是浮力中比较典型的问题,这类问题常常困扰教师的教与学生的学。笔者在此问题上有一点粗浅的认识,现提出来与同仁、专家们商榷。

一、纯冰在单一液体中熔化后液面的升降

***1

如***1所示,烧杯中的冰块漂浮在水中,冰块上部高出杯口,杯中水面恰好与杯口相平,待这些冰块全部融化后液面怎样变化?

分析:冰块漂浮在水面上时,排开水的体积为V排,冰融化成水后的体积为V水。本题的求解方法是:填补法,即通过比较V排与V水的大小,判断水面的升降。

设冰的重力为G冰,则由漂浮条件可知:

F浮=G冰,

根据阿基米德原理有F浮=ρ水gV排,故

ρ水gV排=G冰,V排=G冰ρ水g,

冰融化成水后,质量、重力不变,则水的体积:

V水=G冰ρ水g=V排,

故液面始终保持不变。同理,若将水换为盐水,则V排=G冰ρ盐水g

规律总结:上面的分析过程可以归纳为这样的一个通项式:

V排=G冰ρ液g(>、=、ρ水,液面上升;ρ液=ρ水,液面不变;ρ液

二、含杂质浮冰融化后液面的升降

***2

如***2所示,一块冰里面包有一木块漂浮于水面上,待冰全部融化后,液面怎样变化?

分析:方法同上。

设冰和木块的总重力为G,则由漂浮条件可知:

F浮=G,G=G木+G冰,

根据阿基米德原理有F浮=ρ水gV排,故:

ρ水gV排=G,V排=G冰+G木ρ水g,

冰融化成水后,冰的体积和木块排开水的体积分别为:

V水=G冰ρ水g,V木=G木ρ水g(木块漂浮于水面上)。

冰融化成水后,冰的体积和木块排开水的总体积为:

V=V水+V木=G冰ρ水g+G木ρ水g,

显然,V=V排,故液面无变化。若冰里面包的是石块,待冰融化后,石块下沉,此时石块受到的浮力小于自身重力,所以石块排开的体积V石

含有杂质的浮冰融化后容器内的水面高度是否变化,取决于冰融化前后物体(物体是指冰和杂质或冰融化成的水和杂质)在水中排开水的体积是否变化。这类问题有三种情况:(1)杂质漂浮或悬浮,液面无变化;(2)杂质下沉,液面下降;(3)杂质为液体与上述情况相反。现举一例:

***3

如***3所示,一冰球浮在容器的水面上,冰球中包含有一定量的煤油,当冰球完全融化后,液面怎样变化?

分析:设冰的质量为m冰,油的质量为m油,油的密度为ρ油。

冰融化前,冰、油作为整体漂浮在水面上,根据物体漂浮在液面上的条件和阿基米德原理有:

ρ水gV排=(m冰+m油)g,

融化前总的排开水的体积为:

V排=m冰ρ水+m油ρ水,

冰化成水的体积为:

V水=m冰ρ水,

由于V水

冰融化后,化成的水与油的总体积为:

V总=V水+V油=m冰ρ水+m油ρ油,

而ρ水>ρ油,所以V总>V排,即冰融化后,容器中液面将升高。

由此可得杂质为液体的液面升降问题可以依据以下通项式判断:

V排=m冰ρ水+m液ρ水(>、=、

三、冰处在两种液体的交界面上

***4

如***4所示,在一个容器中盛有水和煤油两种液体,在液体中有一块冰悬浮着,水、煤油、冰的密度分别为ρ水、ρ油、ρ冰,且ρ水>ρ冰>ρ油。试分析:当冰融化时,水和油的分界面1高低变化情况及油面2高低变化情况。

分析:要想判断水和油的分界面1高低变化情况,必须先分别求出冰浸入水中部分的体积V1和冰融化成水的体积V′,然后再比较两者的大小。若V′>V1,界面1上升;若V′

解:设冰块体积为V,浸入水中部分体积为V1,则浸在油中的体积为V-V1。

因为冰悬浮,故F浮=G冰,

而F浮=ρ水gV1+ρ油g(V-V1),G冰=ρ冰Vg,

ρ水gV1+ρ油g(V-V1)=ρ冰Vg,

得V1=ρ冰-ρ油ρ水-ρ油·V。

设冰融化成水的体积为V′,则

ρ水V′=ρ冰V,

V′=ρ冰ρ水·V,

V′-V1=ρ冰ρ水·V-ρ冰-ρ油ρ水-ρ油·V=ρ油(ρ水-ρ冰)ρ水(ρ水-ρ油)·V。

ρ水>ρ冰,ρ水>ρ油,

V′-V1>0,V′>V1。

因此,冰融化后,水和油的分界面1将向上移动。

V′=ρ冰ρ水·V,

而ρ水>ρ冰,

V′

故冰融化后,油面2将向下移动。

当然,一个物理问题的解法多种多样,笔者在这里仅仅提供了一种思路,希望对我们的教与学有所帮助。

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