小明同学利用饮料瓶和薄壁小圆柱形玻璃瓶制作了“浮沉子”,玻璃瓶在饮料瓶中的情况如图所示(玻璃瓶口开着并倒置),玻璃瓶的横截面积为S=1.5cm2,此时玻璃瓶内外水面高度差h1=2cm,饮料瓶内水面到玻璃瓶底部高度差h2=8cm,下列说法中正确的是( )(不计饮料瓶和小玻璃瓶中气体的重力,g=10N/kg,ρ水=1×103kg/m3)
①用力挤压饮料瓶,发现玻璃瓶仍然漂浮在水面,此过程中h1减小、h2不变;
②用力挤压饮料瓶,发现玻璃瓶仍然漂浮在水面,此过程中h1不变、h2增大;
③空玻璃瓶的质量为3g;④空玻璃瓶的质量为13g。
A.①③ B.②③
C.①④ D.②④
答案:B
解析:
(1)用力挤压饮料瓶,瓶内气体的体积减小,气压变大,将水压入小玻璃瓶,将瓶中的空气压缩,这是浮沉子里进入一些水,浮沉子所受重力大于它受到浮力,于是向下沉,h2增大,最终还是漂浮,
开始时:ρ水gV排=ρ水gV水+m瓶g,即
ρ水gSh2=ρ水gS(h2﹣h1)+m瓶g
ρ水Sh2=ρ水(h2﹣h1)S+m瓶
解得
ρ水h1S=m瓶﹣﹣﹣①
后来:ρ水gV排′=ρ水gV水′+m瓶g,即
ρ水gS(h2+△h)=ρ水gS(h2+△h﹣h1′)+m瓶g,
ρ水gSh2+ρ水gS△h=ρ水gSh2+ρ水gS△h﹣ρ水gSh1′+m瓶g,
解得:
ρ水h1′S=m瓶﹣﹣﹣②,
由①②知
h1=h1′
所以由于水进入玻璃瓶,h1不变,故①错误,②正确;
(2)瓶和水都漂浮,浮力等于重力
F浮=G水+G瓶
即
ρ水gV排=ρ水gV水+m瓶g
即
ρ水gSh2=ρ水gS(h2﹣h1)+m瓶g
ρ水Sh2=ρ水(h2﹣h1)S+m瓶
1.0×103kg/m3×1.5×10﹣4m2×0.08m=1.0×103kg/m3××1.5×10﹣4m2×(0.08m﹣0.02m)+m瓶
解得
m瓶=3×10﹣3kg=3g,故③正确,④错误。
故选:B。
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