13.跨学科实践小组设计了“测量气球在空气中所受浮力”的实验。
(1)实验过程
①如图1,用细线穿过自制标尺的O点并悬挂,使其处于水平平衡状态,其中标尺的分度值为1 mm;(图中毫米刻度没有画出)
②将充足气的篮球和套有气针的干瘪气球,固定悬挂在标尺左端距O点L₀的位置;在标尺右端对称位置悬挂小桶,往桶内装入适量细沙,使标尺处于水平平衡状态。若测得小桶和细沙的总重力为G,则篮球和气球(含气针)的总重力为;

③把气针插入篮球的气门,气球随即膨胀,如图2,标尺的(选填“左端”或“右端”)向下发生倾斜,理由是;
④测量膨胀气球受到的浮力大小;
方法一:在不改变小桶悬挂位置的情况下,(选填“向小桶内添加”“从小桶内取出”)重力为G₀的细沙,使标尺重新水平平衡,则膨胀气球受到的浮力大小为;
方法二:保持小桶和细沙总重力为G的情况下,移动小桶悬挂的位置,使标尺重新处于水平平衡状态,此时小桶悬挂位置到O点的距离为L,则膨胀气球受到的浮力大小为;
(2)实验评估
如图3,如果用钩码替换图1中的小桶和桶内的细沙,为了较精准地测量膨胀气球受到的浮力大小,采用(1)④中的哪种方法更合理?。简要说明理由。

(1)实验过程
①如图1,用细线穿过自制标尺的O点并悬挂,使其处于水平平衡状态,其中标尺的分度值为1 mm;(图中毫米刻度没有画出)
②将充足气的篮球和套有气针的干瘪气球,固定悬挂在标尺左端距O点L₀的位置;在标尺右端对称位置悬挂小桶,往桶内装入适量细沙,使标尺处于水平平衡状态。若测得小桶和细沙的总重力为G,则篮球和气球(含气针)的总重力为;
③把气针插入篮球的气门,气球随即膨胀,如图2,标尺的(选填“左端”或“右端”)向下发生倾斜,理由是;
④测量膨胀气球受到的浮力大小;
方法一:在不改变小桶悬挂位置的情况下,(选填“向小桶内添加”“从小桶内取出”)重力为G₀的细沙,使标尺重新水平平衡,则膨胀气球受到的浮力大小为;
方法二:保持小桶和细沙总重力为G的情况下,移动小桶悬挂的位置,使标尺重新处于水平平衡状态,此时小桶悬挂位置到O点的距离为L,则膨胀气球受到的浮力大小为;
(2)实验评估
如图3,如果用钩码替换图1中的小桶和桶内的细沙,为了较精准地测量膨胀气球受到的浮力大小,采用(1)④中的哪种方法更合理?。简要说明理由。
答案
解:
(1) ② 根据杠杆平衡条件 $G_{\mathrm{总}} · L_0 = G · L_0$,可得篮球和气球(含气针)的总重力为 $\boldsymbol{G}$;
③ 右端;气球膨胀后排开空气的体积变大,所受的空气浮力增大,左端对标尺的向下拉力减小,左端拉力与力臂的乘积小于右端拉力与力臂的乘积,因此右端向下倾斜;
④ 方法一:从小桶内取出;$\boldsymbol{G_0}$
方法二:根据杠杆平衡条件 $(G-F_{\mathrm{浮}})L_0 = G L$,整理得膨胀气球受到的浮力大小为 $\boldsymbol{\dfrac{G(L_0-L)}{L_0}}$;
(2) 方法二;钩码的重力是固定的,无法像细沙一样任意连续增减重力,难以通过增减钩码实现方法一的操作,而标尺分度值为1mm,可通过精准改变钩码悬挂位置得到更准确的实验结果。
(1) ② 根据杠杆平衡条件 $G_{\mathrm{总}} · L_0 = G · L_0$,可得篮球和气球(含气针)的总重力为 $\boldsymbol{G}$;
③ 右端;气球膨胀后排开空气的体积变大,所受的空气浮力增大,左端对标尺的向下拉力减小,左端拉力与力臂的乘积小于右端拉力与力臂的乘积,因此右端向下倾斜;
④ 方法一:从小桶内取出;$\boldsymbol{G_0}$
方法二:根据杠杆平衡条件 $(G-F_{\mathrm{浮}})L_0 = G L$,整理得膨胀气球受到的浮力大小为 $\boldsymbol{\dfrac{G(L_0-L)}{L_0}}$;
(2) 方法二;钩码的重力是固定的,无法像细沙一样任意连续增减重力,难以通过增减钩码实现方法一的操作,而标尺分度值为1mm,可通过精准改变钩码悬挂位置得到更准确的实验结果。
登录