英国物理奥赛 (BPhO) 的 Section 1 部分通常会有 18 至 20 道简答题,这些题目难易程度不一样,因此分值不等,建议大家先捡着相对容易、涉及知识点较简单的题来做。本道题就是 Section 1 部分较容易的一道题,考察的知识点非常单纯,就是浮力。我们初中就学过物体所受浮力的表达式:
等式左侧的 “F” 代表液体给物体向上的浮力,等式右侧 “ρ” 是液体的密度,“g” 是重力加速度,“V” 表示物体没入液体内部的体积。
l) A pond containing water of density ρ is covered to a depth b by oil of density . A long wood block of square cross section 4b x 4b, with the same density as the oil, floats in the pond, as shown in Figure 5. What fraction of the wood block is immersed below the surface oil level?
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答案解析:
木块浮于水和油上、处于平衡状态,则它自身的重力 Fg 等于油对它的浮力 Foil 加上水对它的浮力 Fwater,如下图:
我们将木块、油、和水的密度标在图上,假设木块的底面积为 A,那么可把木块重力 Fg 展开:
再来展开木块受到的两个浮力:它没入油的深度即为油的厚度 b,我们假设木块没入水中的深度是 y,如上图所示,则根据浮力公式 F = ρgV 列出木块在油和水中所受浮力:
于是根据力的平衡,向下的重力等于向上的两个浮力之和,列式并化简:
知道了木块没入水中的深度是 2b,又知道木块没入油中的深度是 b,所以没入液体中的总深度是 2b + b = 3b。木块的总高度是 4b,那么没入液体中的高度占比就是: