26. 如果薄冰的冰面只能承受10⁴Pa的压强,一个质量为60kg的人,每只鞋底与冰面的接触面积是150cm²,他能否站在这块冰面上不下沉?如果他站在一个质量不计的薄木板上不下沉,这块薄木板的面积至少多大?(g取9.8N/kg)
答案
26.p = 1.96×10⁴Pa>10⁴Pa 不能站在冰面上 5.88×10⁻²m²
解析
人对冰面的压力:$F = G = mg = 60\,\mathrm{kg} × 9.8\,\mathrm{N/kg} = 588\,\mathrm{N}$
站立时与冰面的接触面积:$S = 2 × 150\,\mathrm{cm}^2 = 300\,\mathrm{cm}^2 = 300 × 10^{-4}\,\mathrm{m}^2 = 0.03\,\mathrm{m}^2$
站立时对冰面的压强:$p = \frac{F}{S} = \frac{588\,\mathrm{N}}{0.03\,\mathrm{m}^2} = 1.96 × 10^4\,\mathrm{Pa}$
因为$1.96 × 10^4\,\mathrm{Pa} > 10^4\,\mathrm{Pa}$,所以不能站在冰面上。
木板的最小面积:$S_{\mathrm{木}} = \frac{F}{p_{\mathrm{max}}} = \frac{588\,\mathrm{N}}{10^4\,\mathrm{Pa}} = 0.0588\,\mathrm{m}^2 = 5.88 × 10^{-2}\,\mathrm{m}^2$
不能站在冰面上;薄木板的面积至少为$5.88 × 10^{-2}\,\mathrm{m}^2$
站立时与冰面的接触面积:$S = 2 × 150\,\mathrm{cm}^2 = 300\,\mathrm{cm}^2 = 300 × 10^{-4}\,\mathrm{m}^2 = 0.03\,\mathrm{m}^2$
站立时对冰面的压强:$p = \frac{F}{S} = \frac{588\,\mathrm{N}}{0.03\,\mathrm{m}^2} = 1.96 × 10^4\,\mathrm{Pa}$
因为$1.96 × 10^4\,\mathrm{Pa} > 10^4\,\mathrm{Pa}$,所以不能站在冰面上。
木板的最小面积:$S_{\mathrm{木}} = \frac{F}{p_{\mathrm{max}}} = \frac{588\,\mathrm{N}}{10^4\,\mathrm{Pa}} = 0.0588\,\mathrm{m}^2 = 5.88 × 10^{-2}\,\mathrm{m}^2$
不能站在冰面上;薄木板的面积至少为$5.88 × 10^{-2}\,\mathrm{m}^2$
27. 潜水艇为增强国防力量,维护祖国安定发挥了重要作用.潜水艇的截面如图所示,通过向水舱中充水或从水舱向外排水来改变潜水艇的自重,从而使其下沉或上浮.我国某型号潜水艇的总体积为2×10³m³,水舱未充海水时潜水艇总重为1.26×10⁷N,最大下潜深度可达400m.海水密度取1.03×10³kg/m³.g取10N/kg.求:
(1)潜水艇完全潜入海水中时受到的浮力;
(2)潜水艇悬浮在海水中时,水舱中充入海水的质量.

(1)潜水艇完全潜入海水中时受到的浮力;
(2)潜水艇悬浮在海水中时,水舱中充入海水的质量.
答案
27.(1)2.06×10⁷N (2)8×10⁵kg
解析
(1)潜水艇完全潜入海水中时,排开海水的体积$V_{\mathrm{排}}=V_{\mathrm{总}}=2× 10^{3}\,\mathrm{m}^3$,根据阿基米德原理,浮力$F_{\mathrm{浮}}=\rho_{\mathrm{海水}}gV_{\mathrm{排}}$,代入数据得:
$\begin{aligned}F_{\mathrm{浮}}&=1.03× 10^{3}\,\mathrm{kg/m}^3× 10\,\mathrm{N/kg}× 2× 10^{3}\,\mathrm{m}^3\\&=2.06× 10^{7}\,\mathrm{N}\end{aligned}$
(2)潜水艇悬浮时,浮力等于总重力,即$F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{总}}=G_{\mathrm{艇}}+G_{\mathrm{水}}$,则充入海水的重力$G_{\mathrm{水}}=F_{\mathrm{浮}}-G_{\mathrm{艇}}=2.06× 10^{7}\,\mathrm{N}-1.26× 10^{7}\,\mathrm{N}=8× 10^{6}\,\mathrm{N}$,充入海水的质量$m_{\mathrm{水}}=\frac{G_{\mathrm{水}}}{g}=\frac{8× 10^{6}\,\mathrm{N}}{10\,\mathrm{N/kg}}=8× 10^{5}\,\mathrm{kg}$
(1)$2.06× 10^{7}\,\mathrm{N}$
(2)$8× 10^{5}\,\mathrm{kg}$
$\begin{aligned}F_{\mathrm{浮}}&=1.03× 10^{3}\,\mathrm{kg/m}^3× 10\,\mathrm{N/kg}× 2× 10^{3}\,\mathrm{m}^3\\&=2.06× 10^{7}\,\mathrm{N}\end{aligned}$
(2)潜水艇悬浮时,浮力等于总重力,即$F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{总}}=G_{\mathrm{艇}}+G_{\mathrm{水}}$,则充入海水的重力$G_{\mathrm{水}}=F_{\mathrm{浮}}-G_{\mathrm{艇}}=2.06× 10^{7}\,\mathrm{N}-1.26× 10^{7}\,\mathrm{N}=8× 10^{6}\,\mathrm{N}$,充入海水的质量$m_{\mathrm{水}}=\frac{G_{\mathrm{水}}}{g}=\frac{8× 10^{6}\,\mathrm{N}}{10\,\mathrm{N/kg}}=8× 10^{5}\,\mathrm{kg}$
(1)$2.06× 10^{7}\,\mathrm{N}$
(2)$8× 10^{5}\,\mathrm{kg}$
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