Question

在青少年科技創(chuàng)新大賽中，某同學(xué)的發(fā)明作品《浮力秤》參加了展評(píng)，該作品可方便地稱(chēng)量物體的質(zhì)量，其構(gòu)造如圖所示．已知小筒底面積為10cm²，總長(zhǎng)為20cm，盤(pán)中不放物體時(shí)，小筒浸入水中的長(zhǎng)度為8cm，問(wèn)：
（1）小筒和秤盤(pán)的總重力是多少N？
（2）該秤能稱(chēng)出物體的最大質(zhì)量是多少kg？
（3）該同學(xué)把秤的讀數(shù)均勻地刻在小筒上，為什么刻度是均勻的？（取g=10N/kg）

Answer 1

【答案】分析：（1）小筒和秤盤(pán)是漂浮在水面上，故它們的總重力等于受到的浮力，故只要根據(jù)F_浮=ρ液gV_排求出浮力，即為小筒和秤盤(pán)的總重力．
（2）該秤的原理是利用了漂浮時(shí)物體所受浮力等于重力，故該秤能測(cè)出物體質(zhì)量的前提是小筒能漂浮在水面上．所以當(dāng)小筒整個(gè)浸入水中時(shí)，所能秤出物體質(zhì)量是最大的．此時(shí)物體和小筒秤盤(pán)的總重力等于小筒所受的浮力．
（3）刻度是否均勻，取決于小筒浸入的深度與物體的質(zhì)量是否成正比或一次函數(shù)關(guān)系．
解答：解：（1）小筒底面積為10cm²，小筒浸入水中的長(zhǎng)度為8cm，故小筒排開(kāi)水的體積為V_排=Sh=10cm²×8cm=80cm³=8×10^-5m³
因小筒和秤盤(pán)是漂浮在水面上，故G_筒=F_浮=ρ_液gV_排=1.0×10³kg/m³×10N/kg×8×10^-5m³=0.8N；

（2）該秤測(cè)物體的最大質(zhì)量時(shí)，就是V_排=V_筒=Sh=10cm²×20cm=200cm³=2×10^-4m³
此時(shí)物體和小筒秤盤(pán)的總重力G=F_浮=ρ_液gV_排=1.0×10³kg/m³×10N/kg×2×10^-4m³=2N
故此時(shí)物體的重力為G_物=G-G_筒=2N-0.8N=1.2N
此時(shí)物體的質(zhì)量為m_物==0.12kg；

（3）根據(jù)以上分析可知物體質(zhì)量m_物=；
因液體密度ρ_液、小筒底面積S、小筒質(zhì)量m_筒都是定值，故物體質(zhì)量與小筒浸入的深度是一次函數(shù)關(guān)系，故小筒上的刻度（即代表了小筒的深度）是均勻的．
答：（1）小筒和秤盤(pán)的總重力是0.8N；（2）能稱(chēng)出物體的最大質(zhì)量是0.12kg；
（3）物體質(zhì)量與小筒浸入的深度是一次函數(shù)關(guān)系，故小筒上的刻度（即代表了小筒的深度）是均勻的．
點(diǎn)評(píng)：本題的關(guān)鍵在于得出物體所受浮力與物體和小筒、秤盤(pán)總重之間的關(guān)系，并依托此關(guān)系展開(kāi)公式．
本題最后一小題要求說(shuō)明為什么刻度是均勻的，這類(lèi)問(wèn)題一般研究對(duì)象是“秤”或“表”，它們刻有代表某個(gè)物理量大小的刻度（用x表示，如本題就是所測(cè)的物體的質(zhì)量），而這些刻度實(shí)際上代表的是另一個(gè)物理量的大小（用y表示，如本題就是小筒浸入的深度），這兩個(gè)物理量的大小x和y之間可能有某種關(guān)聯(lián)，問(wèn)這種“秤”或“表”所表示x的刻度是否均勻，判斷方法是：找出x，y之間的函數(shù)關(guān)系式，分析x，y是否成正比關(guān)系或一次函數(shù)關(guān)系，如果是，則刻度均勻，否則刻度不均勻．這個(gè)對(duì)學(xué)生要求較高．