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8. 如图1,潜艇排水量为$1.6×10^{4}\ \mathrm{t}$,此时潜艇所受到海水的浮力为$\mathrm{N}$,方向为;潜艇的水舱向外排出一部分海水后开始上浮,潜艇在图2中的位置时受到海水的浮力为$\mathrm{N}$;最终潜艇静止在图3中的海面上。由此可见,潜艇是通过改变实现上浮和下潜的。（不考虑海水密度变化、潜艇形变,$g$取$10\ \mathrm{N/kg}$）
答案
$1.6×10^8$
竖直向上
$1.6×10^8$
自身重力
竖直向上
$1.6×10^8$
自身重力
解析
【分析】
首先，根据阿基米德原理，潜艇的排水量是排开海水的质量，浮力等于排开海水的重力，据此可计算图1中潜艇受到的浮力；浮力的方向是竖直向上的。接着分析图2的情况，此时潜艇排开海水的体积与图1相同，海水密度不变，根据阿基米德原理，浮力大小不变。最后，潜艇通过水舱排水或进水改变自身重力，从而实现上浮和下潜，这是潜艇浮沉的原理。
【解析】
1. 计算图1中潜艇受到的浮力：
根据阿基米德原理$F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{排}}=m_{\mathrm{排}}g$，已知潜艇排水量$m_{\mathrm{排}}=1.6×10^{4}\ \mathrm{t}=1.6×10^{7}\ \mathrm{kg}$，$g=10\ \mathrm{N/kg}$，代入得：
$F_{\mathrm{浮}}=1.6×10^{7}\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=1.6×10^{8}\ \mathrm{N}$。
浮力的方向为竖直向上。
2. 分析图2中潜艇的浮力：
潜艇在图2位置时，排开海水的体积与图1中相等，海水密度不变，根据阿基米德原理，浮力大小不变，仍为$1.6×10^{8}\ \mathrm{N}$。
3. 潜艇浮沉的原理：
潜艇通过水舱向外排水或向内进水，改变自身的重力，从而实现上浮和下潜。
【答案】
$1.6×10^{8}$；竖直向上；$1.6×10^{8}$；自身重力
【知识点】
阿基米德原理；浮力的方向；浮沉条件应用
【点评】
本题考查浮力的相关知识，需熟练掌握阿基米德原理，理解潜艇通过改变自身重力实现浮沉的原理，注意排开液体体积对浮力的影响。
【难度系数】
0.7
首先，根据阿基米德原理，潜艇的排水量是排开海水的质量，浮力等于排开海水的重力，据此可计算图1中潜艇受到的浮力；浮力的方向是竖直向上的。接着分析图2的情况，此时潜艇排开海水的体积与图1相同，海水密度不变，根据阿基米德原理，浮力大小不变。最后，潜艇通过水舱排水或进水改变自身重力，从而实现上浮和下潜，这是潜艇浮沉的原理。
【解析】
1. 计算图1中潜艇受到的浮力：
根据阿基米德原理$F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{排}}=m_{\mathrm{排}}g$，已知潜艇排水量$m_{\mathrm{排}}=1.6×10^{4}\ \mathrm{t}=1.6×10^{7}\ \mathrm{kg}$，$g=10\ \mathrm{N/kg}$，代入得：
$F_{\mathrm{浮}}=1.6×10^{7}\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=1.6×10^{8}\ \mathrm{N}$。
浮力的方向为竖直向上。
2. 分析图2中潜艇的浮力：
潜艇在图2位置时，排开海水的体积与图1中相等，海水密度不变，根据阿基米德原理，浮力大小不变，仍为$1.6×10^{8}\ \mathrm{N}$。
3. 潜艇浮沉的原理：
潜艇通过水舱向外排水或向内进水，改变自身的重力，从而实现上浮和下潜。
【答案】
$1.6×10^{8}$；竖直向上；$1.6×10^{8}$；自身重力
【知识点】
阿基米德原理；浮力的方向；浮沉条件应用
【点评】
本题考查浮力的相关知识，需熟练掌握阿基米德原理，理解潜艇通过改变自身重力实现浮沉的原理，注意排开液体体积对浮力的影响。
【难度系数】
0.7
9. 某校开展了“自制潜艇”项目挑战赛。小金设计的潜艇如图所示,其制作过程如下:
①小金选取了3个550 mL的带瓶盖的矿泉水瓶,300 mL注射器和配套的塑料软管,用胶水按图组装潜艇(瓶子本身及连接部分的质量、体积不计)。
②为了确保潜艇密封性良好,小金使用了150 g的密封胶泥密封了连接处(胶泥体积不计),并对气密性进行了检验。
③为确保潜艇能平稳下潜,小金在两边的生活舱里各加了500 g的配重。
【检验产品】小金利用评价量规测试本组的自制潜艇。
根据上述内容回答下列问题:
(1)为检验水舱和针筒之间气密性,小金的操作是堵住两边进出水口,向外拉动注射器活塞,然后松手,观察到,表明气密性好。
(2)将潜艇放置在水面上,要使潜艇下潜,应(选填“向外拉动活塞”或“向内推动活塞”)。
(3)依据评价量规,小金自制的潜艇在“功能舱分区设计”评价指标项的作品等级为。
(4)依据评价量规,小金自制的潜艇在“浮潜情况”评价指标项应确定为哪个等级并说明理由:。
①小金选取了3个550 mL的带瓶盖的矿泉水瓶,300 mL注射器和配套的塑料软管,用胶水按图组装潜艇(瓶子本身及连接部分的质量、体积不计)。
②为了确保潜艇密封性良好,小金使用了150 g的密封胶泥密封了连接处(胶泥体积不计),并对气密性进行了检验。
③为确保潜艇能平稳下潜,小金在两边的生活舱里各加了500 g的配重。
【检验产品】小金利用评价量规测试本组的自制潜艇。
根据上述内容回答下列问题:
(1)为检验水舱和针筒之间气密性,小金的操作是堵住两边进出水口,向外拉动注射器活塞,然后松手,观察到,表明气密性好。
(2)将潜艇放置在水面上,要使潜艇下潜,应(选填“向外拉动活塞”或“向内推动活塞”)。
(3)依据评价量规,小金自制的潜艇在“功能舱分区设计”评价指标项的作品等级为。
(4)依据评价量规,小金自制的潜艇在“浮潜情况”评价指标项应确定为哪个等级并说明理由:。
答案
活塞被压
回到原处
向外拉动活塞
合格
待改进；该潜艇所受最大浮力
为16.5 N，最大重力为14.5 N，
重力小于浮力，潜艇无法下沉
回到原处
向外拉动活塞
合格
待改进；该潜艇所受最大浮力
为16.5 N，最大重力为14.5 N，
重力小于浮力，潜艇无法下沉
解析
【分析】
1. 第(1)题：利用大气压检验气密性，若装置气密性良好，向外拉动活塞松手后，内部气压小于外界大气压，外界大气压会将活塞压回原处，以此判断气密性达标。
2. 第(2)题：潜艇下潜需增大自身重力，向外拉动活塞时水会进入水舱，使总重力大于浮力，实现下潜；向内推动活塞会排水减小重力，不符合下潜要求。
3. 第(3)题：根据题意，潜艇明确设置了生活舱（放置配重）和水舱（与注射器连接控制进出水），功能舱分区清晰，符合合格标准。
4. 第(4)题：先通过阿基米德原理计算潜艇完全浸没时的最大浮力，再计算包含密封胶泥、配重及水舱最大装水量的总重力，对比两者大小，因重力小于浮力潜艇无法下沉，故等级为待改进。
【解析】
(1) 堵住两边进出水口，向外拉动注射器活塞，装置内气压小于外界大气压，若气密性好，松手后外界大气压会将活塞压回到原处。
(2) 要使潜艇下潜，需增大自身总重力。向外拉动活塞时，水进入水舱，潜艇总重力增大，当重力大于浮力时潜艇下潜，因此应选择向外拉动活塞。
(3) 潜艇设置了明确的生活舱（用于放置配重）和水舱（与注射器连接控制进水排水），功能舱分区设计符合要求，作品等级为合格。
(4) ①计算最大浮力：3个550mL瓶子的总体积 $ V_{\mathrm{排}} = 3 × 550\ \mathrm{mL} = 1650\ \mathrm{mL} = 1.65 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3 $，根据阿基米德原理 $ F_{\mathrm{浮}} = \rho_{\mathrm{水}} g V_{\mathrm{排}} = 1.0 × 10^3\ \mathrm{kg/m}^3 × 10\ \mathrm{N/kg} × 1.65 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3 = 16.5\ \mathrm{N} $。
②计算最大重力：密封胶泥质量 $ m_1 = 150\ \mathrm{g} = 0.15\ \mathrm{kg} $，配重总质量 $ m_2 = 2 × 500\ \mathrm{g} = 1\ \mathrm{kg} $，水舱最多装300mL水，水的质量 $ m_3 = \rho_{\mathrm{水}} V_{\mathrm{水}} = 1\ \mathrm{g/cm}^3 × 300\ \mathrm{cm}^3 = 300\ \mathrm{g} = 0.3\ \mathrm{kg} $，总质量 $ m_{\mathrm{总}} = 0.15\ \mathrm{kg} + 1\ \mathrm{kg} + 0.3\ \mathrm{kg} = 1.45\ \mathrm{kg} $，最大重力 $ G_{\mathrm{总}} = m_{\mathrm{总}} g = 1.45\ \mathrm{kg} × 10\ \mathrm{N/kg} = 14.5\ \mathrm{N} $。
③因为 $ G_{\mathrm{总}} = 14.5\ \mathrm{N} ＜ F_{\mathrm{浮}} = 16.5\ \mathrm{N} $，潜艇最大重力小于最大浮力，无法下沉，故“浮潜情况”评价等级为待改进。
【答案】
(1) 活塞被压回到原处
(2) 向外拉动活塞
(3) 合格
(4) 待改进；该潜艇所受最大浮力为16.5 N，最大重力为14.5 N，重力小于浮力，潜艇无法下沉
【知识点】
1. 气密性检验原理
2. 物体浮沉条件
3. 阿基米德原理
【点评】
本题结合自制潜艇的实际项目，将物理知识与实践操作结合，考查了大气压的应用、浮沉条件和阿基米德原理的计算，注重知识的实际应用能力，需要学生将理论与实际情境结合分析问题。
【难度系数】
0.6
1. 第(1)题：利用大气压检验气密性，若装置气密性良好，向外拉动活塞松手后，内部气压小于外界大气压，外界大气压会将活塞压回原处，以此判断气密性达标。
2. 第(2)题：潜艇下潜需增大自身重力，向外拉动活塞时水会进入水舱，使总重力大于浮力，实现下潜；向内推动活塞会排水减小重力，不符合下潜要求。
3. 第(3)题：根据题意，潜艇明确设置了生活舱（放置配重）和水舱（与注射器连接控制进出水），功能舱分区清晰，符合合格标准。
4. 第(4)题：先通过阿基米德原理计算潜艇完全浸没时的最大浮力，再计算包含密封胶泥、配重及水舱最大装水量的总重力，对比两者大小，因重力小于浮力潜艇无法下沉，故等级为待改进。
【解析】
(1) 堵住两边进出水口，向外拉动注射器活塞，装置内气压小于外界大气压，若气密性好，松手后外界大气压会将活塞压回到原处。
(2) 要使潜艇下潜，需增大自身总重力。向外拉动活塞时，水进入水舱，潜艇总重力增大，当重力大于浮力时潜艇下潜，因此应选择向外拉动活塞。
(3) 潜艇设置了明确的生活舱（用于放置配重）和水舱（与注射器连接控制进水排水），功能舱分区设计符合要求，作品等级为合格。
(4) ①计算最大浮力：3个550mL瓶子的总体积 $ V_{\mathrm{排}} = 3 × 550\ \mathrm{mL} = 1650\ \mathrm{mL} = 1.65 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3 $，根据阿基米德原理 $ F_{\mathrm{浮}} = \rho_{\mathrm{水}} g V_{\mathrm{排}} = 1.0 × 10^3\ \mathrm{kg/m}^3 × 10\ \mathrm{N/kg} × 1.65 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3 = 16.5\ \mathrm{N} $。
②计算最大重力：密封胶泥质量 $ m_1 = 150\ \mathrm{g} = 0.15\ \mathrm{kg} $，配重总质量 $ m_2 = 2 × 500\ \mathrm{g} = 1\ \mathrm{kg} $，水舱最多装300mL水，水的质量 $ m_3 = \rho_{\mathrm{水}} V_{\mathrm{水}} = 1\ \mathrm{g/cm}^3 × 300\ \mathrm{cm}^3 = 300\ \mathrm{g} = 0.3\ \mathrm{kg} $，总质量 $ m_{\mathrm{总}} = 0.15\ \mathrm{kg} + 1\ \mathrm{kg} + 0.3\ \mathrm{kg} = 1.45\ \mathrm{kg} $，最大重力 $ G_{\mathrm{总}} = m_{\mathrm{总}} g = 1.45\ \mathrm{kg} × 10\ \mathrm{N/kg} = 14.5\ \mathrm{N} $。
③因为 $ G_{\mathrm{总}} = 14.5\ \mathrm{N} ＜ F_{\mathrm{浮}} = 16.5\ \mathrm{N} $，潜艇最大重力小于最大浮力，无法下沉，故“浮潜情况”评价等级为待改进。
【答案】
(1) 活塞被压回到原处
(2) 向外拉动活塞
(3) 合格
(4) 待改进；该潜艇所受最大浮力为16.5 N，最大重力为14.5 N，重力小于浮力，潜艇无法下沉
【知识点】
1. 气密性检验原理
2. 物体浮沉条件
3. 阿基米德原理
【点评】
本题结合自制潜艇的实际项目，将物理知识与实践操作结合，考查了大气压的应用、浮沉条件和阿基米德原理的计算，注重知识的实际应用能力，需要学生将理论与实际情境结合分析问题。
【难度系数】
0.6
10. 如图所示,用轻质薄壁的塑料瓶、透明胶带、铁质螺母和塑料软管制作潜艇模型。为实现潜艇下沉,应用注射器通过进排气管向塑料瓶内(选填“抽气”或“打气”)。若潜艇在海面下某深度航行时的排开水的质量为$m_{1}$,在海面上航行时的排开水的质量为$m_{2}$,设海水的密度为$\rho$,则潜艇在海面上航行时,露出水面部分的体积为$V_{露}=$(用$m_{1}$、$m_{2}$、$\rho$表示)。
答案
抽气
$\frac{m_1 - m_2}{\rho}$
$\frac{m_1 - m_2}{\rho}$
解析
【分析】
首先分析潜艇模型的浮沉原理：潜艇通过改变自身重力实现浮沉。要让模型下沉，需增大自身重力，当用注射器向瓶内抽气时，瓶内气压减小，外界海水进入瓶内，使模型总重力大于浮力，从而下沉；若打气会排出瓶内的水，减小重力，模型会上浮。
然后分析体积问题：潜艇在海面下航行时完全浸没，排开水的体积等于潜艇总体积，由密度公式可推得总体积；在海面上航行时潜艇漂浮，可求出排开水的体积，露出水面的体积等于总体积减去排开水的体积，代入化简即可得到结果。
【解析】
1. 实现潜艇下沉的操作：
潜艇模型依靠改变自身重力实现浮沉。要使模型下沉，需增大自身重力，因此应用注射器通过进排气管向塑料瓶内抽气，此时瓶内气压减小，外界海水进入瓶内，模型总重力增大，当重力大于浮力时，模型下沉。
2. 计算露出水面部分的体积：
潜艇在海面下航行时，完全浸没在海水中，排开水的体积等于潜艇的总体积，根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$，可得总体积$V_{总}=\frac{m_{1}}{\rho}$；
潜艇在海面上航行时处于漂浮状态，排开水的体积$V_{排}=\frac{m_{2}}{\rho}$；
露出水面部分的体积$V_{露}=V_{总}-V_{排}=\frac{m_{1}}{\rho}-\frac{m_{2}}{\rho}=\frac{m_{1}-m_{2}}{\rho}$。
【答案】
抽气；$\frac{m_1 - m_2}{\rho}$
【知识点】
浮沉条件应用；密度公式应用
【点评】
本题结合潜艇模型考查了物体浮沉条件和密度公式的综合运用，核心是理解潜艇通过改变自身重力实现浮沉的原理，同时明确不同航行状态下排开水的体积与潜艇总体积的关系。
【难度系数】
0.6
首先分析潜艇模型的浮沉原理：潜艇通过改变自身重力实现浮沉。要让模型下沉，需增大自身重力，当用注射器向瓶内抽气时，瓶内气压减小，外界海水进入瓶内，使模型总重力大于浮力，从而下沉；若打气会排出瓶内的水，减小重力，模型会上浮。
然后分析体积问题：潜艇在海面下航行时完全浸没，排开水的体积等于潜艇总体积，由密度公式可推得总体积；在海面上航行时潜艇漂浮，可求出排开水的体积，露出水面的体积等于总体积减去排开水的体积，代入化简即可得到结果。
【解析】
1. 实现潜艇下沉的操作：
潜艇模型依靠改变自身重力实现浮沉。要使模型下沉，需增大自身重力，因此应用注射器通过进排气管向塑料瓶内抽气，此时瓶内气压减小，外界海水进入瓶内，模型总重力增大，当重力大于浮力时，模型下沉。
2. 计算露出水面部分的体积：
潜艇在海面下航行时，完全浸没在海水中，排开水的体积等于潜艇的总体积，根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$，可得总体积$V_{总}=\frac{m_{1}}{\rho}$；
潜艇在海面上航行时处于漂浮状态，排开水的体积$V_{排}=\frac{m_{2}}{\rho}$；
露出水面部分的体积$V_{露}=V_{总}-V_{排}=\frac{m_{1}}{\rho}-\frac{m_{2}}{\rho}=\frac{m_{1}-m_{2}}{\rho}$。
【答案】
抽气；$\frac{m_1 - m_2}{\rho}$
【知识点】
浮沉条件应用；密度公式应用
【点评】
本题结合潜艇模型考查了物体浮沉条件和密度公式的综合运用，核心是理解潜艇通过改变自身重力实现浮沉的原理，同时明确不同航行状态下排开水的体积与潜艇总体积的关系。
【难度系数】
0.6
