一道浮力与压强综合题的拙见

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  现借贵刊一角,将一道浮力与压强综合题的解简述如下,恳望同行指教。
  1.原题:如图所示,在水平桌面上放置一个装有适量盐水的密封的锥形瓶,瓶内漂浮着一块冰,冰在融化过程中( )
  A.瓶内液面下降 B.盐水对瓶底的压强变小
  C.瓶内液面上方气压变大 D.桌面受到的压强不变
  原答案是:选“C和D”。
  命题人给出的分析是:“液面上升还是下降的关键,要看V排盐水与冰化成水的体积V水间的关系”。我们认为此处更应眷“V冰跟V排盐水间关系”!事实上,“∵漂浮, F浮=G排盐水=G冰=G水”,∴冰和融化的水(假设不跟盐水相混合、是一个“水泡”),它们排开盐水的V排盐水是一个定值!
  ∵漂浮、G=mg,∴ F浮=G排=G冰=G水,
  ∵F浮=ρ盐水gV排盐水;G水=m水g=ρ水gV水,∴ρ盐水gV排盐水=ρ水gV水,
  ∵ρ盐水>ρ水,∴V排盐水  ∴冰块融化后液面会升高、瓶内上方空间变小、气压变大,选项C正确。
  由于瓶内的物重和容器重以及受力面积不变,故选项D正确。
  注:在交流过程中有的同行这样解释:冰块融化成水(假设不跟盐水相混合)、瓶内液面多了一层水,故知瓶内液面要升高,瓶内液面上方空间要变小。根据“在温度不变时,一定质量的气体的体积跟压强关系”,可知选项C是正确的,而选项A和B均是错的……
  我们认为:上述有关问题的证明必须强调两点:
  其一,冰块融化成水以后,液面上方的空间到底变不变,如何变?现在证明如下:
  ∵ρ=m/V、G=mg、漂浮、G冰=G水=G排盐水(假设冰块熔化后形成不混于盐水的“水泡V水”),
  ∴ρ冰V冰=ρ水V水=ρ盐水V排盐水,V冰=(ρ盐水/ρ冰) V排盐水,V水=(ρ盐水/ρ水)V排盐水,
  “水泡V水”露出液面的体积:△V1=V水-V排盐水=(ρ盐水/ ρ水-1)V排盐水;
  冰块V冰露出液面的体积:△V2=V冰-V排盐水=(ρ盐水/ρ冰-1)V排盐水;
  ∵ρ水>ρ冰,∴△V2>△V1,即冰块融化后,液面上方的空气体积要变大,气压要减小,可知选项C是不正确的!
  其二,冰块融化成水以后,液面上方的空间变大了、液面深度变不变,如何变?现简要证明如下:
  冰融化前液面深度h1对应的体积为:V1=V盐水 V冰排盐冰,
  冰融化后液面深度h2对应的体积为:V2=V盐水 V水,
  由前面的依据可知:冰和“水泡”受到的浮力一定、即V冰排盐水=V水排盐水,∵V水>V水排盐冰,∴V2>V1、即h2>h1,可知冰融化后液面升高了,据此选项A和B均是错误的!故知该题的正确答案只有一个选项“D”!
  2.为了便于学生理解该题的正确答案,我们给出数据(但是并不影响正确选项)如下:
  如图所示,在水平桌面上放置一个装有360g濃盐水(ρ盐水=1.2g/cm3)密封的锥形瓶,瓶内漂浮着一块90g的冰,冰在融化过程中,原题4个选项正确的是( )
  (1)先探讨“液面的升降问题”:
  根据阿基米德原理,冰块融化前冰块浸入盐水里的体积 V冰排盐水=90g÷1.2g/cm3=75cm3;冰块露出液面的体积V冰露=90cm3÷0.9g/cm3-75cm3=25cm3;
  冰块融化前,液面下的总体积V冰熔前=盐水的体积 冰块浸在盐水里的体积=360g÷1.2g/cm3 75cm3=375cm3;冰块融化后,液面下的总体积V冰熔后=盐水的体积 冰块融化后水的体积=360g÷1.2g/cm3 90g÷1.0g/cm3=390cm3>375cm3!盐水和冰块融化的水,在瓶内所占的体积变大了,故知冰块融化后,瓶内的液面是上升的!我们认为:在回答“液面的升降问题”时,必须算出“冰块融化前、后液面下的总体积,然后进行比较作答”,不能只用一句“∵V排盐水  (2)再探讨“液面上方空间体积的变化问题”:
  借用前面的有关数据:冰块融化后,液面上方增大的体积=390cm3-375cm3=15cm3,而冰块融化前冰块露出液面的体积=25cm3>15cm3,即由于冰块融化后而使液面上升的体积15cm3,小于冰块融化前露出液面的体积25cm3,所以冰块融化后液面上方的空间体积变大了、气压要变小,选项C(瓶内液面上方气压变大)是错的。
  以上计算结果,跟前面用公式推导的结论均相一致。
  注:(2)敬请注意:“冰块融化后,瓶内的液面是上升的”,跟“冰块融化后,液面上方的空间体积变大”并不矛盾!这是由于“冰块融化前露出液面的冰的体积”,大于“冰块融化后而使液面上升的水的体积”造成的;
  (2)本题不能考查帕斯卡原理!由于瓶内液面上方空间体积是增大的,瓶内上方气压减小,瓶内气体对液面的压强也要减小;而液面升高、深度增大;盐水跟水混合后密度又减小,致使B项很难断定。
  综上所述,我们认为本题的正确答案应该只选一个D项!
  因受篇幅所限不再赘述。以上谬误难免,敬请各位师长斧正。向参与撰稿的侯玉波等高级教师致谢!
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