英國物理奧賽 (BPhO) 的 Section 1 部分通常會(hui) 有 18 至 20 道簡答題,這些題目難易程度不一樣,因此分值不等,建議大家先撿著相對容易、涉及知識點較簡單的題來做。本道題就是 Section 1 部分較容易的一道題,考察的知識點非常單純,就是浮力。我們(men) 初中就學過物體(ti) 所受浮力的表達式:
等式左側(ce) 的 “F” 代表液體(ti) 給物體(ti) 向上的浮力,等式右側(ce) “ρ” 是液體(ti) 的密度,“g” 是重力加速度,“V” 表示物體(ti) 沒入液體(ti) 內(nei) 部的體(ti) 積。
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:
木塊浮於(yu) 水和油上、處於(yu) 平衡狀態,則它自身的重力 Fg 等於(yu) 油對它的浮力 Foil 加上水對它的浮力 Fwater,如下圖:
我們(men) 將木塊、油、和水的密度標在圖上,假設木塊的底麵積為(wei) A,那麽(me) 可把木塊重力 Fg 展開:
再來展開木塊受到的兩(liang) 個(ge) 浮力:它沒入油的深度即為(wei) 油的厚度 b,我們(men) 假設木塊沒入水中的深度是 y,如上圖所示,則根據浮力公式 F = ρgV 列出木塊在油和水中所受浮力:
於(yu) 是根據力的平衡,向下的重力等於(yu) 向上的兩(liang) 個(ge) 浮力之和,列式並化簡:
知道了木塊沒入水中的深度是 2b,又知道木塊沒入油中的深度是 b,所以沒入液體(ti) 中的總深度是 2b + b = 3b。木塊的總高度是 4b,那麽(me) 沒入液體(ti) 中的高度占比就是:
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