4. 提升题 航天员可使用浮力水槽模拟失重环境进行失重训练。航天员身穿航天服进入水槽，航天服内配置了铅块，使人在水中处于悬浮状态，从而模拟失重。已知一套航天服的质量为 25 kg，航天员的质量为 70 kg，穿上航天服后的总体积为 100 dm³ 并保持不变， $ \rho_{水}=1.0×10^{3} $ kg/m³， $ \rho_{铅}=11.3×10^{3} $ kg/m³，g 取 10 N/kg。
（1）若航天员身穿不配置铅块的航天服进入水槽，静止时航天员（包括航天服）受到的浮力是多少？
（2）当航天员悬浮在水中时，航天服内配置的铅块的质量是多少？

解:
(1)若航天员身穿不配置铅块的航天服进入水槽,则航天员会漂浮在水面上,根据物体的浮沉条件可知,航天员(包括航天服)受到的浮力
$ F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{总}}=(m_{\mathrm{人}}+m_{\mathrm{服}})g$
$ =(70\ \mathrm{kg}+25\ \mathrm{kg}) × 10\ \mathrm{N/kg}$
$ =950\ \mathrm{N}$。
(2)当航天员悬浮在水中时,根据阿基米德原理可知,整体受到的浮力
$ F_{\mathrm{浮}}'=\rho_{\mathrm{水}}\ gV_{\mathrm{排}}$
$ =1 × 10^3\ \mathrm{kg/m}^3 × 10\ \mathrm{N/kg} × 100 × 10^{-3}\ \mathrm{m}^3$
$ =1000\ \mathrm{N}$。
整体处于静止状态,受力平衡,受到竖直向下的重力、竖直向上的浮力的共同作用,则
整体的总重力
$ G_{\mathrm{总}}'=F_{\mathrm{浮}}'=1000\ \mathrm{N},$
铅块的重力
$ G_{\mathrm{铅}}=G_{\mathrm{总}}'-G_{\mathrm{总}}=1000\ \mathrm{N}-950\ \mathrm{N}=50\ \mathrm{N},$
铅块的质量
$ m=\frac{G_{\mathrm{铅}}}{g}=\frac{50\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=5\ \mathrm{kg}$。

【解析】
（1）航天员身穿不配置铅块的航天服进入水槽时会漂浮在水面上，根据物体浮沉条件，漂浮时浮力等于总重力。
总质量$m_{总}=m_{人}+m_{服}=70\ \mathrm{kg}+25\ \mathrm{kg}=95\ \mathrm{kg}$，
总重力$G_{总}=m_{总}g=95\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=950\ \mathrm{N}$，
所以受到的浮力$F_{浮}=G_{总}=950\ \mathrm{N}$。
（2）当航天员悬浮在水中时，排开水的体积等于总体积$V_{排}=V_{总}=100\ \mathrm{dm}^3=0.1\ \mathrm{m}^3$，
根据阿基米德原理，此时受到的浮力$F_{浮}'=\rho_{水}gV_{排}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×0.1\ \mathrm{m}^3=1000\ \mathrm{N}$，
悬浮时受力平衡，总重力$G_{总}'=F_{浮}'=1000\ \mathrm{N}$，
铅块的重力$G_{铅}=G_{总}'-G_{总}=1000\ \mathrm{N}-950\ \mathrm{N}=50\ \mathrm{N}$，
铅块的质量$m_{铅}=\frac{G_{铅}}{g}=\frac{50\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=5\ \mathrm{kg}$。
【答案】
（1）950 N；（2）5 kg
【知识点】
物体浮沉条件、阿基米德原理、重力公式应用
【点评】
本题结合航天员失重训练的实际场景，考查物体浮沉条件与阿基米德原理的综合应用，需要灵活运用受力平衡关系及重力相关公式进行计算，体现了物理知识在实际航天训练中的应用。
【难度系数】
0.6