21.（6分）“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功坐底，创造了中国载人深潜纪录，标志着我国在载人深潜领域达到领先水平。这激发了小杨同学探究液体内部压强的兴趣，实验如图所示。

(1)图甲是U形管压强计，金属盒上的橡皮膜应该选用（选填“薄”或“厚”）一些的较好。
(2)比较乙、丙两次实验可知：同种液体内部压强随深度的增加而。
(3)根据液体内部压强的规律可知，“奋斗者”号深潜到10 000 m时每平方米的舱体受到的海水压力为N，相当于质量为t的物体受到的重力。
(4)若图丁的实验中U形管左右两侧水面的高度差为5 cm，则橡皮管内气体的压强与管外大气压之差为Pa；在图乙的实验中，保持金属盒位置不变，在容器中加入适量清水与其均匀混合后（液体不溢出），橡皮膜受到的液体压强将（选填“变大”“变小”或“无法判断”）

21.(1)薄 (2)增大 (3)1×10⁸ 1×10⁴ (4)500 变大
【点拨】本题考查探究液体内部压强影响因素的实验,涉及控制变量法、液体压强公式和压力定义式的应用等。
【解析】(1)在实验中,U形管压强计金属盒上的橡皮膜应该选用薄一些的较好,这样在测量时会较灵敏,实验效果明显;
(2)比较乙、丙两次实验,两容器中的液体密度相同、金属盒所处的深度不相同,深度越深,U形管液面高度差越大,压强越大,由此可知:在同种液体中,液体内部压强随液体深度的增加而增大;
(3)“奋斗者”号深潜到10 000 m深处时,受到海水产生的压强:p=ρ海水gh=1.0 ×10³ kg/m³ ×10 N/kg ×10 000 m=1 ×10⁸ Pa,由 $p=\frac{F}{S}$ 可得,每平方米舱体要承受的海水压力F=pS=1 ×10⁸ Pa ×1 m²=1 ×10⁸ N;由G=mg可得,同重力的物体的质量为: $m=\frac{G}{g}=\frac{F}{g}=\frac{1 × 10^8\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=1 × 10^7\ \mathrm{kg}=1 × 10^4\ \mathrm{t}$;
(4)丁图中U形管左右两侧水面高度差h'=5 cm,则橡皮管内气体的压强与管外大气压之差约为:p'=ρ水gh'=1.0 ×10³ kg/m³ ×10 N/kg ×0.05 m=500 Pa;图乙实验中,保持金属盒位置不变,在容器中加入适量清水与其均匀混合后(液体不溢出),容器底部受到液体压力增大,压强增大;容器底压强可以分成金属盒以上和金属盒以下两部分,金属盒以下部分深度不变,加清水后液体密度变小,由p=ρgh知,金属盒以下部分压强变小,而容器底压强变大,所以金属盒(橡皮膜)以上的压强变大。

【分析】
本题围绕液体内部压强的探究实验及相关计算展开，解题思路如下：
1. 第(1)问：U形管压强计依靠橡皮膜形变传递压强，薄橡皮膜形变更灵敏，实验效果更好，据此选择橡皮膜；
2. 第(2)问：乙、丙实验控制液体密度相同，仅改变金属盒深度，通过U形管液面高度差判断压强变化，总结同种液体压强与深度的关系；
3. 第(3)问：利用液体压强公式计算深潜处的压强，再结合压强与压力的关系、重力与质量的关系，依次求出压力和对应物体质量；
4. 第(4)问：压强差等于U形管液面高度差产生的液体压强；分析乙中加清水混合后，金属盒处液体压强的变化，判断压强大小。
【解析】
(1) U形管压强计的橡皮膜越薄，受力时形变越明显，实验灵敏度越高，因此金属盒上的橡皮膜选薄一些的较好；
(2) 乙、丙两次实验中，液体均为盐水（同种液体），丙中金属盒深度更大，U形管液面高度差更大，说明压强更大，因此可得：同种液体内部压强随深度的增加而增大；
(3) “奋斗者”号深潜到10000m时，海水产生的压强：$p=\rho_{海水}gh=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×10000\ \mathrm{m}=1×10^8\ \mathrm{Pa}$；根据$p=\frac{F}{S}$，每平方米舱体受到的海水压力：$F=pS=1×10^8\ \mathrm{Pa}×1\ \mathrm{m}^2=1×10^8\ \mathrm{N}$；该压力等于物体重力，故物体质量：$m=\frac{G}{g}=\frac{F}{g}=\frac{1×10^8\ \mathrm{N}}{10\ \mathrm{N/kg}}=1×10^7\ \mathrm{kg}=1×10^4\ \mathrm{t}$；
(4) 丁图中，橡皮管内气体压强与管外大气压之差等于U形管液面高度差产生的压强：$\Delta p=\rho_{水}gh'=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×0.05\ \mathrm{m}=500\ \mathrm{Pa}$；图乙中，保持金属盒位置不变，加入清水混合后，金属盒上方液体总深度增加，虽混合液密度小于盐水，但深度增加的影响更大，因此橡皮膜受到的液体压强变大。
【答案】
(1)薄 (2)增大 (3)$1×10^8$；$1×10^4$ (4)500；变大
【知识点】
液体内部压强、压强相关计算
【点评】
本题结合探究液体内部压强的实验，考查了实验器材选择、实验结论总结、压强与压力的计算及压强变化分析，需要学生掌握控制变量法和液体压强公式的应用，属于基础实验题，难度适中。
【难度系数】
0.5

22. (5分)小明设计了一个实验来验证“阿基米德原理”。如图,研究对象是一个密度大于水的合金块,实验步骤顺序如图甲所示,烧杯中已装满水。弹簧测力计在四个步骤中的读数分别表示为$G_{物}$、$F_{1}$、$F_{2}$、$G_{空桶}$。

(1)实验时使用弹簧测力计测量力的大小,在测量前要在方向上进行调零。
(2)按图甲中的顺序测出排出水的重力将(选填“偏大”“偏小”或“正常”)。
(3)重新调整甲中实验顺序,当实验中的测量结果满足:(用图中弹簧测力计读数表示)时,则可验证阿基米德原理成立。
(4)图甲中按正确顺序操作,以下会影响验证结果的是(填字母)。
A. 图①中溢水杯内未盛满水
B. 图②中合金块未浸没水中
C. 图④中小桶内有少量水
(5)该实验中小明用了图乙的弹簧测力计,实验前有A、B两合金块(A:体积$16\ \mathrm{cm}^3$、密度$10\ \mathrm{g/cm}^3$B:体积为$60\ \mathrm{cm}^3$、密度为$3\ \mathrm{g/cm}^3$),他应选(选填“A”或“B”)来完成实验。

22.(1)竖直 (2)偏小 (3)$G_{物}-F_1=F_2-G_{空桶}$ (4)A (5)B
【点拨】本题考查阿基米德原理验证实验,应用了控制变量法,分析清楚图示情况、注意控制变量法的应用是正确解题的关键。
【解析】(1)实验时使用弹簧测力计,在测量前要在竖直方向上进行调零;
(2)按照图甲所示的实验顺序,先测量水与桶总重,再测量桶重,由于桶内壁上会粘有部分水,使得测得桶重偏大,排开水的重力等于总重减去桶重,所以测得排开水的重力偏小;
(3)根据阿基米德原理可知,物体所受浮力与排开液体重力相等,所以$G_{物}-F_1=F_2-G_{空桶}$时,则可验证阿基米德原理成立;
(4)A.图①中溢水杯内未盛满水,则测得排开水的重力会偏小,会影响验证结果;
B.图②中合金块未浸没水中,此时浮力小,排开的水的重力也小,不影响验证结果;
C.图④中小桶内有少量水,两次示数之差仍为排开水的重力,不影响验证结果;故选A;
(5)由阿基米德原理可知,A合金块浸没时受到的浮力为:F浮A=ρ水gV排A=1.0 ×10³ kg/m³ ×10 N/kg ×16 ×10⁻⁶ m³=0.16 N,B浸没时受到的浮力为:F浮B=ρ水gV排B=1.0 ×10³ kg/m³ ×10 N/kg ×60 ×10⁻⁶ m³=0.6 N,A所受的浮力为0.16 N,小于弹簧测力计的分度值(0.2 N),不易准确测量。故要较为科学地完成本实验,他应选B合金块来做实验。

【分析】
本题围绕验证阿基米德原理的实验展开，需结合弹簧测力计的使用、实验误差分析、阿基米德原理的内容等逐一分析各小问：
1. 弹簧测力计测量竖直方向的力，使用前需在竖直方向调零，确保测量准确；
2. 原实验顺序先测桶和水的总重，再测空桶重，桶内壁会残留部分水，导致测得的空桶重偏大，因此排开水的重力（总重减空桶重）会偏小；
3. 阿基米德原理指出，物体受到的浮力等于排开液体的重力，浮力为物体重力减去浸没时弹簧测力计的示数，排开液体重力为桶和水的总重减去空桶重，据此可列出验证等式；
4. 分析各选项对实验结果的影响：溢水杯未盛满会导致排开的水未全部流入小桶，影响结果；合金块未浸没时，浮力仍等于排开液体重力，不影响；小桶内原有少量水时，两次示数之差仍为排开的水重，不影响；
5. 选择合金块时，需考虑弹簧测力计的分度值，确保浮力能被准确测量，计算两合金块的浮力，选择浮力大于分度值的合金块。
【解析】
(1) 弹簧测力计测量竖直方向的力，测量前需在竖直方向调零，故答案为竖直；
(2) 按图甲顺序，先测桶和水的总重$F_2$，再测空桶重$G_{空桶}$，桶内壁残留水使测得的$G_{空桶}$偏大，排开水的重力为$F_2 - G_{空桶}$，因此测得的排开水的重力偏小；
(3) 物体所受浮力$F_{浮}=G_{物}-F_1$，排开液体的重力$G_{排}=F_2 - G_{空桶}$，根据阿基米德原理$F_{浮}=G_{排}$，故满足$G_{物}-F_1=F_2 - G_{空桶}$时，验证阿基米德原理成立；
(4) A选项：溢水杯未盛满水，排开的水未全部流入小桶，测得的$G_{排}$偏小，影响验证结果；B选项：合金块未浸没水中，浮力仍等于排开液体重力，不影响；C选项：小桶内原有少量水，$F_2 - G_{空桶}$仍为排开的水重，不影响；故选A；
(5) 弹簧测力计分度值为$0.2\ \mathrm{N}$，A合金块浮力$F_{浮A}=\rho_{水}gV_{排A}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m^3}×10\ \mathrm{N/kg}×16×10^{-6}\ \mathrm{m^3}=0.16\ \mathrm{N}＜0.2\ \mathrm{N}$，无法准确测量；B合金块浮力$F_{浮B}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m^3}×10\ \mathrm{N/kg}×60×10^{-6}\ \mathrm{m^3}=0.6\ \mathrm{N}＞0.2\ \mathrm{N}$，可准确测量，故选B。
【答案】
(1)竖直 (2)偏小 (3)$G_{物}-F_1=F_2-G_{空桶}$ (4)A (5)B
【知识点】
阿基米德原理、弹簧测力计使用、浮力测量
【点评】
本题是验证阿基米德原理的经典实验题，综合考查实验操作规范、误差分析、原理应用等知识点，需要学生熟悉实验步骤，理解各步骤的目的，能准确分析误差来源，同时结合弹簧测力计的分度值选择合适的实验器材，难度适中，能较好地考查学生的实验探究能力。
【难度系数】
0.6