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用“假想法”巧妙解决容器液面的升降问题

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切入点不同,物理题的解法也往往不同。掌握一题多解能够让我们从多种角度审视物理问题,开阔眼界。使我们在多种解法的比较中获得知识的积累和解题经验的提高。在本文的例题中,有些分析方法极为巧妙,没有繁杂的过程,仅有对物理情境进行简单的推演,就会有结果;而有的解法较嗦,分析和推演的过程相当烦琐,物理问题的结果姗姗来迟。一直以来,学生做物理题选择题或填空题,正确率总是不高。这是因为他们不懂得,每一个物理题的解答,背后都应有一个严格的和完整的推演过程。他们仅凭着自己的直觉或题中直观的现象就随意做出了判断,实际上是在“猜”题。没有分析的过程,缺少推演的步骤,此种训练显然只能是徒劳无益。对于物理知识的积累没有丝毫的帮助,甚而还会有害。下面举实例予以分析:

例题:小容器中放有一实心均匀的不吸水且不溶于水的物块,其密度大于水的密度,圆柱体大容器中盛有一定量的水。现将小容器置于大容器中的水面上,小容器处于漂浮状态,此时大容器中水深h1,如图(a);然后将物块从小容器中取出放入大容器的水中,物块沉入水底,小容器仍漂浮于水面,待水面静止后,大容器中水深为h2,如图(b)所示,则h1、h2的大小关系为:

(8)式告诉我们:从图(a)到图(b)水面是下降的。在剩水容器的底面积S0 及物块体积V物 一定时,水面下降量完全由ρ物 来确定,ρ物 越大水面下降越多。反之则水面下降越少。

分析2:利用浮力的定性变化

分两步进行分析,第一,先分析“取出物块”。当从小容器中取出物块还未放入水中时,小容器因失去物块对它的压力,此时受力不再是平衡力,其所受浮力大于重力,因而它将上浮一些,最后停留在液面上的某位置,处于新的二力平衡状态。显然它的上升将导致水面的下降;第二,再分析“投放物块”于水中。把物块投入水中,因其密度大于水的密度,它将下沉,最后静止于容器底部。物块浸入水中将导致大容器中的水面上升。

然后,我们来做如下的假想:假设物块是由密度足够大的某种物质构成,其体积比原来的物块小,但重力比原来的物块大(只要密度足够大,这是可以实现的),“大”到使得物块在小容器中时,它沉沉地压在小容器中,致使小容器即将要沉入水底――注意仅是“即将”,此时可认为小容器的容器口刚好还露出水面,如图(c)所示。这样,当物块从小容器中取出后,由于小容器“如释重负”,小容器将上浮很多,如图(d),导致大容器中的水面下降也很多。再来看这个重力足够大而体积较小的物块,它放入水中后,将导致水面上升,但因其体积很小,水面上升是不明显的,几乎忽略不计。也就是说,小容器中的“小”而“重”的物块在“取出”时导致水面下降很明显,在“投入水中”时导致水面上升不明显,所以,显然大容器中的液面最终将下降。事实上,可以认为,在图(c)的状态中,较重的物块的重力“全部用来排水”;而在图(d)的状态中,因物块的大部分重力用来压在大容器的底部,只有少部分重力“用来排水”。显然后者的排水量很小,水面高度就要小些。故本例题的答案要选“A”。

分析3:巧用假想法进行分析

假设把物块用体积与重力不计的细线跟小容器外底相连后放入大容器的水中,如图(f)所示:

此时,物块因细线的拉力而没有沉到大容器的底部。整个系统也处于漂浮状态。系统的浮力没有变,因而水面高度也就不变,所以,图(f)中水面高度仍应记为h1。然后再将细线剪断,此时,因物块已全部浸入水中,其下沉不会导致水面上升,但因细线的剪断将导致小容器上浮一些,这样,水面将会下降。也就是说,从(e)到(f)水面没变,从(f)到(g),水面会下降,所以从(e)到(g),水面最终下降。故本例题的答案是“A”。

下面对三种方法进行比较:

分析1,它主要用于定量计算。此题中,若给出S0、V物、ρ物 这三个量,要求计算水面变化了多少,就必须用此法。这种方法实际上就是从浮力的定量变化得到水面的定量变化。它抓住了两个状态来分析:图(a)与图(b)。水面下降的定量式就是(8)式。

分析2,这种方法很灵活,它把题目的物理情境割裂成“取出物块”和“投入水中”两步独立地进行,利用夸大物块密度的方法,假想了一个体积比原来小而重力比原来大的新的物块。因重力较大,当从小容器中“取出物块”时,使水面下降非常明显;但因体积小,将其“投入水中”时,使水面上升几乎不予考虑。这样就得出了定性的结果。此种方法在物理情境的构建上需要一定的想象,并要有扎实的密度概念、二力平衡知识做基础。它抓住了,假想一个“小”而“重”的物块来分析。

分析3,这种方法很巧妙。此种方法,对物理情境做了一个假想,有了一个灵活的过渡或转移。其过渡状态就是图(f)。将图(f)分别与图(a)与图(b)进行比较,就有了结果。这样的过渡并不影响物理情境的实质,却找到了最精炼的解决问题的切入点。

由此,我们看出,物体浮力的变化是宏观的,容器面的升降是微观的。微观的液面升降完全可以由宏观的浮力变化来决定。只要我们能将物理情境进行较好的转移或过渡,认真琢磨,问题就会巧妙地解决。