在一个烧杯中,一个冰块内嵌入一个小石子,正好能悬浮在烧杯的水中.当冰块熔化后,小石子沉到烧杯底,则水面会( )
A.上升 B.下降 C.不变 D.无法判断
浮力=ρVg,浮力的实质就是排开水的重力。
悬浮在水中,这个好理解。冰的密度比水小,冰熔化为水后体积减小,排开的水减少。石子下沉,排出水的体积没有变化,所以水面肯定下降。这是直接观察就可以得出答案。但是如果是下列情况:
1、冰块内嵌入一个小石子漂浮在水面且露出水面,当冰块熔化后,小石子沉到烧杯底。
2、冰块内嵌入一个小泡沫漂浮在水面且露出水面,当冰块熔化后,泡沫漂浮在水面且露出水面。
3、冰块漂浮在水面且露出水面,当冰块熔化后。
4、烧杯中是海水,冰块漂浮在水面且露出水面,当冰块熔化后。
这个单纯的直接观察就不行了,更多出现的题型是这三种,此时就需要受力分析。
1、冰块熔化前,冰石复合体的浮力=冰的重力+石块的重力。冰块熔化后,冰石复合体分成水和石块,此时仍然作为一个整体分析,此时水石复合体的浮力=水的重力+石块同体积水的重力。石块下沉,石块同体积水的重力小于石块的重力,所以水石复合体的浮力小于冰石复合体的浮力。
浮力=ρVg,所以水石复合体排出水的体积小于冰石复合体,所以水面下降。
2、有这样几种思维:
(1)有人直接观察,冰熔化为水后体积减小,排开的水减少。泡沫上浮,排开的水也减少,所以整体排开的水减少,所以水面下降。
这种思维逻辑是不严谨的。融化前冰不是全部在水中且无法量化,所以“冰熔化为水后体积减小,排开的水减少”不成立。同理,泡沫上浮,熔化前后因为泡沫原因排开水的变化也无法量化。
(2)力的分析
冰块熔化前,冰泡沫复合体的浮力=冰的重力+泡沫的重力。冰块熔化后,冰泡沫复合体分成水和泡沫,此时仍然作为一个整体分析,此时水泡沫复合体的浮力=水的重力+泡沫的重力。所以水泡沫复合体的浮力等于冰泡沫复合体的浮力。
浮力=ρVg,所以水泡沫复合体排出水的体积等于冰泡沫复合体,所以水面不变。
错,这种思维也是不严谨的。如果冰泡沫复合体中的冰极薄,泡沫极大,那么支撑泡沫漂浮的也就是泡沫排开的水,可能全部是冰化成的水,也可能部分是。
所以,答案是不确定。
1、2是有区别的,1熔化后都在水中,水石不论是作为复合体还是单独计算,排开的水是一样的。2熔化后还是漂浮在水面,就要考虑泡沫排开水的来源。
3、水面不变,也就是说冰块排开的水的体积=冰熔化成水所占的体积。
4、冰、水、海水密度依次增大,融化前,冰的浮力等于冰的重力,也就是排开一定体积(V海)海水的重力。如果不是海水,是普通水,也就是排开一定体积(V水)普通水的重力。根据浮力=ρVg,海水密度比普通水大,那么V海就小于V水,所以海平面上升。也就是说,相同质量,海水的体积小。
所以,数理化学习一定要注重思维逻辑的严谨性,分析各种条件(因素),尤其是不能忽略极特殊情况。