2018年英國物理奧賽BPhO Sect.1 (l) 題解析 - 伟德的官网

2018年英國物理奧賽BPhO Sect.1 (l) 題解析

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:
BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力
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 BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力.  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?
BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力
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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:

BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力
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:
BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力
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:
BPhO 18 Sect.1 (l) 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:

BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力
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:
BPhO 18 Sect.1 (l) 浮力

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