Question

（2005?煙臺）圖是一種廁所水箱結(jié)構(gòu)．
進(jìn)水閥與浮簡相連，它們可以沿著滑桿上、下自由滑動，當(dāng)水箱中的水位下降時(shí)，浮筒所受浮力減小，進(jìn)水閥隨浮筒一起下降，進(jìn)水口打開，水箱開始注水（圖甲）．隨著水位上升，浮筒所受浮力增大．當(dāng)水位上升到一定高度，進(jìn)水閥隨浮筒向上移動最終封住出水口（圖乙）．
排水閥是一個(gè)空心橡膠蓋，放水時(shí)它漂浮在水中，隨著水的排出，水面降低橡膠蓋封住排水口，排水過程結(jié)束．注水過程中和注滿水后，橡膠蓋都蓋住排水口．

（1）浮筒的最小體積是工程師設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要參數(shù)，為此需要知道和測量哪些物理量？用字母表示各物理量，推導(dǎo)出浮筒最小體積的表達(dá)式．生產(chǎn)廠家實(shí)際制造中，浮筒的體積與你計(jì)算的結(jié)果關(guān)系怎樣？為什么？
（2）排水過程中橡膠蓋所受浮力及重力有什么關(guān)系？它為什么能封住排水口而不浮起？
（3）這個(gè)裝置的一個(gè)重要缺點(diǎn)是每次沖刷要放掉一箱水，請你對橡膠蓋進(jìn)行改造，使按下扳手，橡膠蓋抬起放水，放下扳手，橡膠蓋蓋上排水口停止放水．

Answer 1

分析：（1）當(dāng)浮力大于重力時(shí)，浮筒上浮，浮筒上升到進(jìn)水閥被封時(shí)，如果剛好完全淹沒，則為浮筒體積最��；利用浮筒剛好淹沒時(shí)，浮力等于重力計(jì)算浮筒的最小體積；從實(shí)際角度考慮，浮筒的體積需要比計(jì)算出的體積大，根據(jù)浮力和重力的關(guān)系分析即可．
（2）由橡膠蓋的狀態(tài)可知橡膠蓋所受重力與所受力之間的關(guān)系；
知道浮力產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是下表面所受向上的壓力大于上表面所受向下的壓力，故當(dāng)物體底部沒有液體時(shí)物體不受浮力；（3）要想使橡膠蓋能放開手柄后立即蓋上出水口，應(yīng)使橡膠蓋的重力增大，大于浮力后，即可立即下沉．

解答：解：（1）當(dāng)浮筒剛好完全淹沒時(shí)，F(xiàn)_浮=G，
ρ_水gV=G，
V=

G

ρ水g

=

m

ρ水

，因此需要測量浮筒的質(zhì)量和水的密度，即ρ_水和m；
生產(chǎn)廠家實(shí)際制造中，浮筒的體積要比計(jì)算出的結(jié)果大；如果剛好等于計(jì)算出的體積，浮筒受到的浮力不會大于重力，也就是說浮筒不會上�。�
（2）圖（甲）中放水時(shí)空心橡膠蓋漂浮在水面上，所以它所受重力與浮力相等；
圖（乙）中注水過程和注滿水后橡膠蓋能緊緊蓋在出水口是因?yàn)橄鹉z蓋與出水口緊密接觸，此時(shí)橡膠蓋下部沒有水，不受水對它向上壓力，所以不受浮力，則在其自身重力和上部水向下壓力的作用下會蓋住出水口而不浮起．
（3）若要使放開手柄后橡膠蓋就立即蓋上出水口，橡膠蓋就要下沉，重力要大于浮力，因此要將橡膠蓋適當(dāng)加重，如加配重物．
故答案為：（1）需要測浮筒的質(zhì)量和水的密度；符號為ρ_水和m；最小體積的表達(dá)式：V=

m

ρ水

；生產(chǎn)廠家實(shí)際制造中，浮筒的體積要比計(jì)算出的結(jié)果大；如果剛好等于計(jì)算出的體積，浮筒受到的浮力不會大于重力，也就是說浮筒不會上浮．
（2）重力與浮力相等；因?yàn)橄鹉z蓋與出水口緊密接觸，此時(shí)橡膠蓋下部沒有水，不受水對它向上壓力，所以不受浮力，則在其自身重力和上部水向下壓力的作用下會蓋住出水口而不浮起．
（3）若要使放開手柄后橡膠蓋就立即蓋上出水口，橡膠蓋就要下沉，重力要大于浮力，因此要將橡膠蓋適當(dāng)加重，如加配重物．

點(diǎn)評：本題考查應(yīng)用物理知識分析解決實(shí)際問題，要注意通過分析受力尋找合適的物理規(guī)律．