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核潜艇
庆祝中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动在青岛附近海域举行，图10-3-3甲为某改进型攻击核潜艇图片。我国某核潜艇H最大潜深350 m，完全下潜到海面下后的排水量为8.24×10³ t。潜艇内部有水舱，通过向水舱中充水或从水舱中向外排水来改变潜艇的自重，从而控制其下沉或上浮。已知海水密度ρ₍海₎为1.03×10³ kg/m³，江水密度ρ₍江₎为1.0×10³ kg/m³，g取10 N/kg，不考虑潜艇的体积变化。
(1)下列关于核潜艇的说法中，正确的是()
A. 核潜艇的外壳是用硬度小的特种钢材制成的
B. 核潜艇是通过改变自身体积达到浮沉的
C. 核潜艇悬浮和漂浮时所受的浮力相等
D. 核潜艇由东海海面下潜，进入长江后所受的浮力变小
(2)核潜艇在海面下水平匀速巡航时，突然进入密度跃层(海水密度突然变小)时，核潜艇将会，将给核潜艇带来安全隐患。为确保核潜艇安全，应立即采取的措施是从(填“向水舱中充水”或“从水舱中向外排水”)。
(3)该核潜艇H悬浮在海面下时，螺旋桨将海水推向后方获得向前的推力，说明；核潜艇H所受的海水阻力与航速的关系如图10-3-3乙，当核潜艇H航速为8 m/s时，核潜艇H所受的海水阻力为N。
(4)该核潜艇H浮出海面处于漂浮时，露出海面的体积为1.0×10³ m³，此时核潜艇H的总重力是多少？(请写出计算过程)
核潜艇
庆祝中国人民解放军海军成立70周年海上阅兵活动在青岛附近海域举行，图10-3-3甲为某改进型攻击核潜艇图片。我国某核潜艇H最大潜深350 m，完全下潜到海面下后的排水量为8.24×10³ t。潜艇内部有水舱，通过向水舱中充水或从水舱中向外排水来改变潜艇的自重，从而控制其下沉或上浮。已知海水密度ρ₍海₎为1.03×10³ kg/m³，江水密度ρ₍江₎为1.0×10³ kg/m³，g取10 N/kg，不考虑潜艇的体积变化。
(1)下列关于核潜艇的说法中，正确的是()
A. 核潜艇的外壳是用硬度小的特种钢材制成的
B. 核潜艇是通过改变自身体积达到浮沉的
C. 核潜艇悬浮和漂浮时所受的浮力相等
D. 核潜艇由东海海面下潜，进入长江后所受的浮力变小
(2)核潜艇在海面下水平匀速巡航时，突然进入密度跃层(海水密度突然变小)时，核潜艇将会，将给核潜艇带来安全隐患。为确保核潜艇安全，应立即采取的措施是从(填“向水舱中充水”或“从水舱中向外排水”)。
(3)该核潜艇H悬浮在海面下时，螺旋桨将海水推向后方获得向前的推力，说明；核潜艇H所受的海水阻力与航速的关系如图10-3-3乙，当核潜艇H航速为8 m/s时，核潜艇H所受的海水阻力为N。
(4)该核潜艇H浮出海面处于漂浮时，露出海面的体积为1.0×10³ m³，此时核潜艇H的总重力是多少？(请写出计算过程)
答案
D
下沉
水舱中向外排水
力的作用是相互的
$1.92×10^{6}$
(4)解：$V = V_{排} = \frac {m_{排}}{ρ_{海水}} = \frac {8.24× 10^3× 10^3\ \mathrm {kg}}{1.03× 10^3\ \mathrm {kg/m}^3} = 8× 10^3\ \mathrm {m^3}$
潜艇浮出海面处于漂浮时，排开水的体积
$V_{排}' = V - V_{露} = 8× 10^3\ \mathrm {m^3} - 1.0× 10^3\ \mathrm {m^3} = 7× 10^3\ \mathrm {m^3}$，
根据漂浮条件得：$G = F_{浮} = ρ_{海水}\ \mathrm {gV}_{排}'$
$ = 1.03× 10^3\ \mathrm {kg/m}^3× 10\ \mathrm {N/kg}× 7× 10^3\ \mathrm {m^3}$
$ = 7.21× 10^7\ \mathrm {N}$
答：此时核潜艇H的总重力是$7.21× 10^7\ \mathrm {N}$。
解析
【解析】
(1) 选项分析：
A. 核潜艇外壳需承受深海高压，应使用硬度大的特种钢材，A错误；
B. 核潜艇通过改变自身重力实现浮沉，并非改变体积，B错误；
C. 悬浮时排开水的体积大于漂浮时，由阿基米德原理可知，浮力不相等，C错误；
D. 核潜艇从东海海面下潜进入长江，排开液体体积不变，海水密度大于江水密度，根据$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}$，浮力变小，D正确。
(2) 进入密度跃层，海水密度突然变小，核潜艇所受浮力变小，重力大于浮力，核潜艇将会下沉；为确保安全，需减小潜艇自重，应立即从水舱中向外排水。
(3) 螺旋桨将海水推向后方获得向前的推力，说明力的作用是相互的；
由图乙可知，阻力$f$与$v^2$成正比，设$f=kv^2$，将$v^2=25\ \mathrm{m^2· s^{-2}}$，$f=7.5×10^5\ \mathrm{N}$代入，得$k=3×10^4\ \mathrm{N· s^2/m^2}$。
当$v=8\ \mathrm{m/s}$时，$v^2=64\ \mathrm{m^2· s^{-2}}$，则$f=3×10^4\ \mathrm{N· s^2/m^2}×64\ \mathrm{m^2· s^{-2}}=1.92×10^6\ \mathrm{N}$。
(4) 解：
潜艇完全下潜时的体积：
$V = V_{排} = \frac {m_{排}}{ρ_{海水}} = \frac {8.24× 10^3× 10^3\ \mathrm {kg}}{1.03× 10^3\ \mathrm {kg/m}^3} = 8× 10^3\ \mathrm {m^3}$
潜艇漂浮时排开水的体积：
$V_{排}' = V - V_{露} = 8× 10^3\ \mathrm {m^3} - 1.0× 10^3\ \mathrm {m^3} = 7× 10^3\ \mathrm {m^3}$
根据漂浮条件$G=F_{浮}$，得：
$G = F_{浮} = ρ_{海水}gV_{排}'$
$= 1.03× 10^3\ \mathrm {kg/m}^3× 10\ \mathrm {N/kg}× 7× 10^3\ \mathrm {m^3}$
$= 7.21× 10^7\ \mathrm {N}$
【答案】
(1) D
(2) 下沉；从水舱中向外排水
(3) 力的作用是相互的；$1.92×10^{6}$
(4) $7.21×10^{7}\ \mathrm{N}$
【知识点】
阿基米德原理；物体浮沉条件；力的作用相互性
【点评】
本题结合核潜艇实际场景，综合考查浮力、力的相互性等知识，注重物理与生活的联系，需结合图像分析阻力与速度的关系，对知识应用能力要求较高。
【难度系数】
0.6
(1) 选项分析：
A. 核潜艇外壳需承受深海高压，应使用硬度大的特种钢材，A错误；
B. 核潜艇通过改变自身重力实现浮沉，并非改变体积，B错误；
C. 悬浮时排开水的体积大于漂浮时，由阿基米德原理可知，浮力不相等，C错误；
D. 核潜艇从东海海面下潜进入长江，排开液体体积不变，海水密度大于江水密度，根据$F_{浮}=ρ_{液}gV_{排}$，浮力变小，D正确。
(2) 进入密度跃层，海水密度突然变小，核潜艇所受浮力变小，重力大于浮力，核潜艇将会下沉；为确保安全，需减小潜艇自重，应立即从水舱中向外排水。
(3) 螺旋桨将海水推向后方获得向前的推力，说明力的作用是相互的；
由图乙可知，阻力$f$与$v^2$成正比，设$f=kv^2$，将$v^2=25\ \mathrm{m^2· s^{-2}}$，$f=7.5×10^5\ \mathrm{N}$代入，得$k=3×10^4\ \mathrm{N· s^2/m^2}$。
当$v=8\ \mathrm{m/s}$时，$v^2=64\ \mathrm{m^2· s^{-2}}$，则$f=3×10^4\ \mathrm{N· s^2/m^2}×64\ \mathrm{m^2· s^{-2}}=1.92×10^6\ \mathrm{N}$。
(4) 解：
潜艇完全下潜时的体积：
$V = V_{排} = \frac {m_{排}}{ρ_{海水}} = \frac {8.24× 10^3× 10^3\ \mathrm {kg}}{1.03× 10^3\ \mathrm {kg/m}^3} = 8× 10^3\ \mathrm {m^3}$
潜艇漂浮时排开水的体积：
$V_{排}' = V - V_{露} = 8× 10^3\ \mathrm {m^3} - 1.0× 10^3\ \mathrm {m^3} = 7× 10^3\ \mathrm {m^3}$
根据漂浮条件$G=F_{浮}$，得：
$G = F_{浮} = ρ_{海水}gV_{排}'$
$= 1.03× 10^3\ \mathrm {kg/m}^3× 10\ \mathrm {N/kg}× 7× 10^3\ \mathrm {m^3}$
$= 7.21× 10^7\ \mathrm {N}$
【答案】
(1) D
(2) 下沉；从水舱中向外排水
(3) 力的作用是相互的；$1.92×10^{6}$
(4) $7.21×10^{7}\ \mathrm{N}$
【知识点】
阿基米德原理；物体浮沉条件；力的作用相互性
【点评】
本题结合核潜艇实际场景，综合考查浮力、力的相互性等知识，注重物理与生活的联系，需结合图像分析阻力与速度的关系，对知识应用能力要求较高。
【难度系数】
0.6
