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
,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$L_0$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
,标尺的
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,
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 ,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?
(1)实验过程
①如图
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$L_0$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
G
。③把气针插入篮球的气门,气球随即膨胀,如图
右端
(填“左端”或“右端”)向下发生倾斜,理由是左端的气球受到了向上的浮力,导致杠杆左端受到的动力变小,动力与动力臂的乘积变小,小于右端阻力与阻力臂的乘积
。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,
从小桶内取出
(填“向小桶内添加”“从小桶内取出”)重力为$G_0$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$G_0$
;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
$G-\frac{G × L}{L_0}$
。(2)实验评估
如图 ,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?
方法二
。简要说明理由用钩码代替沙子和桶,若采用方法一,由于钩码是整数的增加或者减小,可能无法恰好使杠杆在水平位置平衡,若采用方法二,可通过移动钩码,使杠杆在水平位置平衡,通过杠杆平衡计算浮力
。答案
13.(1)②G ③右端 左端的气球受到了向上的浮力,导致杠杆左端受到的动力变小,动力与动力臂的乘积变小,小于右端阻力与阻力臂的乘积 ④从小桶内取出 $G_0$ $G-\frac{G × L}{L_0}$ (2)方法二 理由见解析 [(1)②根据杠杆平衡原理可知,动力臂等于阻力臂,故动力等于阻力,故篮球和气球(含气针)的总重力为G。③左端的气球受到了向上的浮力,导致杠杆左端受到的动力变小,动力与动力臂的乘积变小,小于右端阻力与阻力臂的乘积,故杠杆右端下沉。④杠杆右端下沉,在不改变小桶悬挂位置的情况下,可以从小桶内取出重力为$G_0$的细沙使阻力减小,从而减小阻力与阻力臂的乘积,使杠杆再次水平平衡。取出细沙后,动力臂仍然等于阻力臂,故动力仍然等于阻力,故减小的动力等于减小的阻力,即气球所受的浮力为$G_0$。根据杠杆平衡原理可知,杠杆左端受到的动力为$F_1=\frac{G × L}{L_0}=G-F_{浮}$,故浮力的大小为$F_{浮}=G-\frac{G × L}{L_0}$。(2)用钩码代替沙子和桶,若采用方法一,由于钩码是整数的增加或者减小,可能无法恰好使杠杆在水平位置平衡,若采用方法二,可通过移动钩码,使杠杆在水平位置平衡,通过杠杆平衡计算浮力。]
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