Question

圖甲為加油站加油系統(tǒng)示意圖，油罐容積為30m³，為了降低油品損耗，保證油罐運(yùn)行安全，在油罐頂部安裝有調(diào)節(jié)油罐內(nèi)外壓力平衡的呼吸閥．其中吸氣閥（圖乙）管口面積為2×10^-3m²，重力不計(jì)的吸氣閥蓋在0.6N的恒力作用下堵住吸氣管口．加油時(shí)，加油機(jī)內(nèi)油泵自動啟動，加油槍流量控制為Q=5×10^-4m³/s；（ρ_油取0.8×10³ kg/m³，外界大氣壓取10⁵Pa，g=10N/kg）
（1）某次加油時(shí)，加油槍口高出油罐油面3m，所加油的體積為2.5×10^-2m³，則加油系統(tǒng)克服油的重力做了多少功？（不考慮油面的變化）
（2）若加油槍口橫截面積為4×10^-4m²，則加油時(shí)油在油槍口處流速是多少米/秒？
（3）若油罐中油的體積為10.04m³，罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)與其體積關(guān)系如下表所示（吸氣閥未打開前氣體質(zhì)量、溫度保持不變），則在加油多長時(shí)間后，吸氣閥會立即打開？

油罐的氣體體積（m3）	…	19.96	19.98	20	20.02	20.04	…
油罐的氣體壓強(qiáng)（Pa）	…	99900	99800	99700	99600	99500	…

Answer 1

解：
（1）∵ρ=，G=mg，
∴所加油的重力：
G=ρ_油Vg=0.8×10³kg/m³×2.5×10m³×10N/kg=200N，
加油系統(tǒng)克服油的重力做的功為：
W=Gh=200N×3m=600J；
（2）油在油槍口處流速為：
v===1.25m/s；
（3）當(dāng)吸氣閥剛好打開時(shí)，對于閥蓋，有：
F_外=F_內(nèi)+F₀，
∵p=，
∴F=pS，
∴p_外S₂=p_內(nèi)S₂+F₀
即：10⁵Pa×2×10^-3m²=p_內(nèi)×2×10^-3m²+0.6N，
解得：p_內(nèi)=99700Pa；
根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)吸氣閥剛好打開時(shí)，油罐中氣體的體積為20m³，
則此時(shí)油罐中油的體積：
V₁=30m³-20m³=10m³，
要加油的體積為V₂=10.04m³-10m³=0.04m³，
要加油的時(shí)間：
t===80s．
答：（1）加油系統(tǒng)克服油的重力做了600J的功；
（2）加油時(shí)油在油槍口處流速是1.25m/s；
（3）在加油80s后，吸氣閥會立即打開．
分析：（1）知道所加油的體積，利用G=ρVg求所加油的重力，再利用W=Gh求加油系統(tǒng)克服油的重力做的功；
（2）知道加油槍流量Q和加油槍口橫截面積S，利用v=求油在油槍口處流速；
（3）當(dāng)吸氣閥剛好打開時(shí)，對閥蓋進(jìn)行受力分析，則F_外=F_內(nèi)+F₀，即p_外S₂=p_內(nèi)S₂+F₀，據(jù)此可求罐內(nèi)壓強(qiáng)；分析表中數(shù)據(jù)，可得當(dāng)吸氣閥剛好打開時(shí)，油罐中氣體的體積，求出此時(shí)油罐中油的體積，進(jìn)而求出要加油的體積，又知道加油槍流量Q，利用t=求要加油的時(shí)間．
點(diǎn)評：本題以給汽車加油為物理情景，考查了學(xué)生對密度公式、重力公式、功的公式、壓強(qiáng)公式的掌握和運(yùn)用，本題關(guān)鍵：對閥蓋進(jìn)行受力分析得出F_外=F_內(nèi)+F₀，求出罐內(nèi)壓強(qiáng)，并用好表中數(shù)據(jù)．