“冰溶水升降”问题解析

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  在初中物理中,经常会遇到这样一些题:有一个容器中盛有水,水中漂浮着一块冰,问:冰溶化之后,水面是升还是降?许多学生都感到束手无策,其实,只要你弄清下面几种情况 ,问题就迎刃而解了。
  
  一、情况分析
   1.纯冰熔化。
   设冰块重为G冰,未熔化前冰块排开水的体积为V排,根据阿基米德原理及漂浮条件F浮=G冰展开有ρ水gV排=ρ水gV冰
  即V排=ρ冰V冰/ρ水
  且冰溶化成水后,质量不变。即m冰=m水展开有ρ冰V冰=ρ水V水即V水=ρ水V冰/ρ水可见,
  V排=V水。所以,纯冰溶化后,液面不升不降。
  2.冰中有木屑杂质。
  设冰中的纯冰为G冰,杂质为G杂,未熔化前冰排开水的体积为V排。根据阿基米德原理及漂浮条件F浮=G冰+G木展开有ρ水gV排=
  ρ冰gV冰+ρ木gV木即V排=(ρ冰V冰+ρ木V木)/ρ水
  且纯冰熔化成水后,质量不变。即m冰=m水展开有ρ冰V冰=ρ水V水即V水=ρ冰V冰/ρ水。
  而ρ木<ρ水,冰熔化后,木屑仍漂浮。
  即F木浮=G木展开有ρ水gV木排=ρ木gV木即V木排=ρ木V木/ρ水
  所以,V排总=V水+V木排=ρ冰V冰/ρ水+ρ木V木/ρ水=(ρ冰V冰+ρ木V木)/ρ水可见,V排总=V排。所以,冰中有木屑杂质的冰溶化后,液面仍不升不降。
  3.冰中有小碎石(或小沙粒、小铁屑)等杂质。
  设冰中的纯冰为G冰,杂质为G石,未熔化前冰排开水的体积为V排。根据阿基米德原理及漂浮条件F浮=G冰+G石展开有ρ水gV排=ρ冰gV冰+ρ石gV石 即V排=(ρ水V冰+ρ石V石)/ρ水
  且纯冰熔化成水后,质量不变。即m冰=m水展开有ρ冰V冰=ρ水V水即V水=ρ冰V冰/ρ水。
  而ρ石>ρ水,冰熔化后,小碎石沉底。
  即F石浮<G木展开有ρ水gV石排<ρ石V石
  所以,V排总=V水+V石排<ρ冰V冰/ρ水+ρ石V石/ρ水=(ρ冰V冰+ρ石V石)/ρ水=V排可见,V排总<V排。所以,冰中有小碎石杂质的冰熔化后,液面下降。
  
  二、总结
  1.当纯冰熔化后,容器中的液面不变化。
  2.当冰中有木屑、泡沫、空气等(ρ杂<ρ水)杂质时,熔化后,容器中的液面将保持不变。
  3.冰中有小碎石、小沙粒、小铁屑等(ρ杂>ρ水)杂质时,熔化后,容器中的液面将下降。
  
  三、拓展练习
  1.一湖中漂浮着一条小船,船里装有石头,若将石头卸下扔入湖中,湖中水面将 。(填“升高”或“降低”)
   析此题可将船中的石头看作杂质。根据总结中(3)的知识,可知应填“降低”。
  思考若船中有一堆木头,卸下扔入湖中,湖中水面将。(填“升高”或“降低”)
  2.如图,一容器中装有水,水中一木盆里装有一铁块,并漂浮在水面上。若将铁块扔入水中,容器中的液面将。(答案:降低)
  
  (责任编辑覃敬川)
  
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