在自然生活中,水结冰,冰融化,是学生常见的物理现象。那么在物理教学中,我们应该如何引导学生理解,液体中冰块熔化,导致液面升降的问题。我们可用物体的重力和浮力的关系,从而推断液面升降。
一、冰块浮在水面上,熔化后液面将不变(图1)
解答:V排=F浮/ρ水g=G冰/ρ水g=m冰/ρ水
冰熔化成水的体积V水=m水/ρ水=m冰/ρ水
V排=V水,液面高度将不变
变式一:冰块(内含铁钉,密度比水大的物体)在水面熔化时液面高度下降(图2)。
解答:冰在水面熔化时,液面高度不变,铁钉下沉。铁钉的浮力比在水面时变小,排开的水的体积减小,液面下降。
变式二:冰块(内含泡沫,密度比水小的物体)在水面熔化时液面高度不变(图3)。
冰在水面熔化时,液面高度不变。泡沫漂浮,泡沫的浮力不变,排开的水的体积不变,液面高度不变。
变式三:冰块(内含气泡,密度为零的物体)在水面熔化时液面高度不变(图4)。
冰内气泡的位置可移到边上,看成一块边上有一缺口的冰,冰在水面熔化时,液面高度不变。
变式四:冰块(内含水,密度与水相等的物体)在水面熔化时液面高度不变。
冰在水面熔化时,液面高度不变,气泡内的水在水中悬浮,浮力不变。排开水的体积不变,液面高度不变。
二、冰块浮在盐水中,熔化后液面将上升
解答:V排=F浮/ρ盐水g=G冰/ρ盐水g=m冰/ρ盐水
冰熔化成水的体积V水=m水/ρ水=m冰/ρ水
V排<V水,液面高度将上升
解释厄尔尼诺现象,全球气温升高,冰山熔化,海平面上升。
三、冰块沉在油下,熔化后液面将下降
解答:V排=V冰=m冰/ρ冰
冰熔化成水的体积V水=m水/ρ水=m冰/ρ水
V排>V水,液面高度将下降
引:封闭的河道内,有一艘载有货物(密度为ρ物)的轮船,若把船中的货物卸入河中,那么河中的水面将上升、下降还是不变呢(图5)
释:ρ物>ρ水,物体下沉,水面下降
ρ物=ρ水,物体悬浮,水面不变
ρ物<ρ水,物体漂浮,水面不变