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16. 我国的“奋斗者”号载人潜水艇最大下潜深
度达到10 909 m。同学们针对潜水艇的制
作,开展了项目化学习。
【项目设计】项目小组利用硬质塑料瓶制作
潜水艇,塑料瓶厚度不计,相邻两舱之间密
封不连通,水舱与注射器通过塑料软管相
连,推拉注射器活塞可以实现潜水艇的浮
沉,模型如图甲所示。
【产品检测】
(1)为使潜水艇上浮,小组同学的操作
是
出水舱内的水,实现上浮。
(2)如图乙所示,潜水艇从B处缓慢上浮到
A处,最终在水面保持静止。请在图丙中画
出潜水艇所受浮力随时间变化的大致图像。
(3)若某潜水艇的总体积是$650\ \mathrm{cm}^{3}$,所用材
料的总质量是0.5 kg,$g$取$10\ \mathrm{N/kg}$,则图甲
中注射器
成规格为100 mL的,理由是
(假设推拉注射器活塞时,装置内气体体积
的变化量与水舱内水的体积变化量相同)
(4)下表为项目小组制订的评价量表:
项目小组对某潜水艇测试时发现:注射器活
塞被推到最左端时,潜水艇位于水槽底部。
根据测试结果,则该潜水艇的浮沉情况评价
级别是
度达到10 909 m。同学们针对潜水艇的制
作,开展了项目化学习。
【项目设计】项目小组利用硬质塑料瓶制作
潜水艇,塑料瓶厚度不计,相邻两舱之间密
封不连通,水舱与注射器通过塑料软管相
连,推拉注射器活塞可以实现潜水艇的浮
沉,模型如图甲所示。
【产品检测】
(1)为使潜水艇上浮,小组同学的操作
是
推动活塞，向潜水艇打气
,从而排出水舱内的水,实现上浮。
(2)如图乙所示,潜水艇从B处缓慢上浮到
A处,最终在水面保持静止。请在图丙中画
出潜水艇所受浮力随时间变化的大致图像。
(3)若某潜水艇的总体积是$650\ \mathrm{cm}^{3}$,所用材
料的总质量是0.5 kg,$g$取$10\ \mathrm{N/kg}$,则图甲
中注射器
不能
(填“能”或“不能”)替换成规格为100 mL的,理由是
要使潜水艇实现在水中的悬浮，浮力应等于潜水艇的总重力。该潜水艇悬浮时受到的浮力$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=ρ_{水}gV=1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×650×10^{-6}m^{3}=6.5N$，材料的总质量为0.5kg，则材料的总重力$G=mg=0.5kg×10N/kg=5N$，因为该潜水艇材料的总重力小于悬浮时受到的浮力，所以需往水舱内注水，且需注入水的重力$ΔG_{水}=F_{浮}-G=6.5N - 5N=1.5N$，根据阿基米德原理可知需注入水的体积$ΔV_{水}=\frac{ΔG_{水}}{ρ_{水}g}=\frac{1.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1.5×10^{-4}m^{3}=150cm^{3}＞100mL$
。(假设推拉注射器活塞时,装置内气体体积
的变化量与水舱内水的体积变化量相同)
(4)下表为项目小组制订的评价量表:
项目小组对某潜水艇测试时发现:注射器活
塞被推到最左端时,潜水艇位于水槽底部。
根据测试结果,则该潜水艇的浮沉情况评价
级别是
待改进
。答案
16.(1)推动活塞，向潜水艇打气
(2)如图所示:
(3)不能 要使潜水艇实现在水中的悬浮，浮力应等于潜水艇的总重力。该潜水艇悬浮时受到的浮力$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=ρ_{水}gV=1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×650×10^{-6}m^{3}=6.5N$，材料的总质量为0.5kg，则材料的总重力$G=mg=0.5kg×10N/kg=5N$，因为该潜水艇材料的总重力小于悬浮时受到的浮力，所以需往水舱内注水，且需注入水的重力$ΔG_{水}=F_{浮}-G=6.5N - 5N=1.5N$，根据阿基米德原理可知需注入水的体积$ΔV_{水}=\frac{ΔG_{水}}{ρ_{水}g}=\frac{1.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1.5×10^{-4}m^{3}=150cm^{3}＞100mL$
(4)待改进
解析
【分析】
我们可以围绕潜水艇浮沉的核心逻辑逐步梳理每一问的解题思路：
1. 第一问：潜水艇上浮的核心是让浮力大于自身总重力，要排出水舱内的水就需要增大水舱内的气压，因此操作方向是推动注射器向水舱内打气，靠气压把水挤出去，减小潜水艇自重实现上浮。
2. 第二问：浮力随时间的变化分三个阶段分析：①潜水艇从B处上浮到刚要露出水面的过程，排开水的体积等于自身体积保持不变，根据阿基米德原理浮力不变；②开始露出水面到完全漂浮前，排开水的体积逐渐减小，浮力随之降低；③最终静止漂浮后，排开水的体积不再变化，浮力等于潜水艇总重力保持恒定，据此即可画出三段式的浮力变化图像。
3. 第三问：要判断100mL注射器是否可用，先计算潜水艇完全浸没时的最大浮力，减去潜水艇材料自身的重力，得到实现悬浮需要注入水的体积，将该体积和100mL对比，若所需体积大于100mL，就说明100mL注射器无法满足体积变化要求，不能替换。
4. 第四问：注射器活塞推到最左端时，水舱内的水已经被排到最少，潜水艇自重已经是最小状态，此时仍沉在水槽底部，说明无法实现上浮，达不到合格的浮沉要求，对应评价级别即可得出。
【解析】
(1) 要让潜水艇上浮，需要减小自身总重力，推动注射器活塞向潜水艇水舱内打气，增大水舱内压强，将水舱中的水排出，总重力减小到小于浮力时，潜水艇即可上浮。
(2) 浮力变化分为三个阶段：①未露出水面上浮阶段：V排不变，F浮不变，图像为水平线段；②露出水面到漂浮阶段：V排减小，F浮减小，图像为下降线段；③最终漂浮静止阶段：V排不变，F浮等于潜水艇重力保持不变，图像为水平线段，对应标准图像即可。
(3) 分步计算验证：
①潜水艇完全浸没时的浮力：$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=ρ_{水}gV_{总}=1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×650×10^{-6}m^{3}=6.5N$
②潜水艇材料的总重力：$G=mg=0.5kg×10N/kg=5N$
③要实现悬浮，需要注入水的重力：$ΔG_{水}=F_{浮}-G=6.5N-5N=1.5N$
④需要注入水的体积：$ΔV_{水}=\frac{ΔG_{水}}{ρ_{水}g}=\frac{1.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1.5×10^{-4}m^{3}=150cm^{3}=150mL$
150mL＞100mL，说明100mL的注射器无法满足悬浮所需的体积变化要求，因此不能替换。
(4) 活塞推到最左端时潜水艇自重已经是最小值，仍沉在水槽底部，无法实现上浮，不符合合格浮沉要求，评价级别为待改进。
【答案】
(1) 推动活塞，向潜水艇打气
(2)
(3) 不能 要使潜水艇实现在水中的悬浮，浮力应等于潜水艇的总重力。该潜水艇悬浮时受到的浮力$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=ρ_{水}gV=1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×650×10^{-6}m^{3}=6.5N$，材料的总质量为0.5kg，则材料的总重力$G=mg=0.5kg×10N/kg=5N$，因为该潜水艇材料的总重力小于悬浮时受到的浮力，所以需往水舱内注水，且需注入水的重力$ΔG_{水}=F_{浮}-G=6.5N - 5N=1.5N$，根据阿基米德原理可知需注入水的体积$ΔV_{水}=\frac{ΔG_{水}}{ρ_{水}g}=\frac{1.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1.5×10^{-4}m^{3}=150cm^{3}＞100mL$
(4) 待改进
【知识点】
潜水艇浮沉原理，阿基米德原理，浮力图像分析
【点评】
本题是项目化学习类的浮力综合应用题，结合自制潜水艇的真实操作场景，既考察了基础浮沉条件的应用，也涉及阿基米德原理的定量计算、浮力变化图像绘制，同时结合评价量表考察学生的实际问题分析能力，题型灵活，能有效检验学生对浮力核心知识点的掌握和落地应用能力。
【难度系数】
0.5
我们可以围绕潜水艇浮沉的核心逻辑逐步梳理每一问的解题思路：
1. 第一问：潜水艇上浮的核心是让浮力大于自身总重力，要排出水舱内的水就需要增大水舱内的气压，因此操作方向是推动注射器向水舱内打气，靠气压把水挤出去，减小潜水艇自重实现上浮。
2. 第二问：浮力随时间的变化分三个阶段分析：①潜水艇从B处上浮到刚要露出水面的过程，排开水的体积等于自身体积保持不变，根据阿基米德原理浮力不变；②开始露出水面到完全漂浮前，排开水的体积逐渐减小，浮力随之降低；③最终静止漂浮后，排开水的体积不再变化，浮力等于潜水艇总重力保持恒定，据此即可画出三段式的浮力变化图像。
3. 第三问：要判断100mL注射器是否可用，先计算潜水艇完全浸没时的最大浮力，减去潜水艇材料自身的重力，得到实现悬浮需要注入水的体积，将该体积和100mL对比，若所需体积大于100mL，就说明100mL注射器无法满足体积变化要求，不能替换。
4. 第四问：注射器活塞推到最左端时，水舱内的水已经被排到最少，潜水艇自重已经是最小状态，此时仍沉在水槽底部，说明无法实现上浮，达不到合格的浮沉要求，对应评价级别即可得出。
【解析】
(1) 要让潜水艇上浮，需要减小自身总重力，推动注射器活塞向潜水艇水舱内打气，增大水舱内压强，将水舱中的水排出，总重力减小到小于浮力时，潜水艇即可上浮。
(2) 浮力变化分为三个阶段：①未露出水面上浮阶段：V排不变，F浮不变，图像为水平线段；②露出水面到漂浮阶段：V排减小，F浮减小，图像为下降线段；③最终漂浮静止阶段：V排不变，F浮等于潜水艇重力保持不变，图像为水平线段，对应标准图像即可。
(3) 分步计算验证：
①潜水艇完全浸没时的浮力：$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=ρ_{水}gV_{总}=1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×650×10^{-6}m^{3}=6.5N$
②潜水艇材料的总重力：$G=mg=0.5kg×10N/kg=5N$
③要实现悬浮，需要注入水的重力：$ΔG_{水}=F_{浮}-G=6.5N-5N=1.5N$
④需要注入水的体积：$ΔV_{水}=\frac{ΔG_{水}}{ρ_{水}g}=\frac{1.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1.5×10^{-4}m^{3}=150cm^{3}=150mL$
150mL＞100mL，说明100mL的注射器无法满足悬浮所需的体积变化要求，因此不能替换。
(4) 活塞推到最左端时潜水艇自重已经是最小值，仍沉在水槽底部，无法实现上浮，不符合合格浮沉要求，评价级别为待改进。
【答案】
(1) 推动活塞，向潜水艇打气
(2)
(3) 不能 要使潜水艇实现在水中的悬浮，浮力应等于潜水艇的总重力。该潜水艇悬浮时受到的浮力$F_{浮}=ρ_{水}gV_{排}=ρ_{水}gV=1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg×650×10^{-6}m^{3}=6.5N$，材料的总质量为0.5kg，则材料的总重力$G=mg=0.5kg×10N/kg=5N$，因为该潜水艇材料的总重力小于悬浮时受到的浮力，所以需往水舱内注水，且需注入水的重力$ΔG_{水}=F_{浮}-G=6.5N - 5N=1.5N$，根据阿基米德原理可知需注入水的体积$ΔV_{水}=\frac{ΔG_{水}}{ρ_{水}g}=\frac{1.5N}{1.0×10^{3}kg/m^{3}×10N/kg}=1.5×10^{-4}m^{3}=150cm^{3}＞100mL$
(4) 待改进
【知识点】
潜水艇浮沉原理，阿基米德原理，浮力图像分析
【点评】
本题是项目化学习类的浮力综合应用题，结合自制潜水艇的真实操作场景，既考察了基础浮沉条件的应用，也涉及阿基米德原理的定量计算、浮力变化图像绘制，同时结合评价量表考察学生的实际问题分析能力，题型灵活，能有效检验学生对浮力核心知识点的掌握和落地应用能力。
【难度系数】
0.5
