Question

10．下面是某車站廁所的自動(dòng)沖水裝置，圓柱體浮筒A的面積為400cm²，高為0.2m，蓋片B的面積為60cm²（蓋片B的質(zhì)量，厚度不計(jì)）．連接AB是長(zhǎng)為0.3m，體積和質(zhì)量都不計(jì)的硬桿．當(dāng)流進(jìn)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)，蓋片B被向上拉開，水通過(guò)排水管流出沖洗廁所．（g=10N/kg）請(qǐng)解答下列問(wèn)題：
（1）當(dāng)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)，水對(duì)蓋片B的壓力是多少？
（2）浮筒A的重力是多少？
（3）水箱中水多深時(shí)蓋片B又下落自動(dòng)關(guān)上？

Answer 1

分析 （1）求出當(dāng)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)水深h的大小，利用液體壓強(qiáng)公式求水對(duì)蓋片B的壓強(qiáng)，再利用壓強(qiáng)定義式求水對(duì)蓋片B的壓力；
（2）桿對(duì)浮筒的拉力等于水對(duì)蓋片B的壓力，當(dāng)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)，浮筒受到的浮力等于浮筒重加上桿對(duì)浮筒的拉力，據(jù)此求浮筒A的重力；
（3）當(dāng)浮筒受到的浮力等于受到的重力時(shí)，蓋片B自動(dòng)關(guān)上，據(jù)此求出浮筒浸入的深度，進(jìn)而求出水箱中水的深度．

解答 解：（1）當(dāng)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)，水深：
h=0.3m+0.2m=0.5m，
水對(duì)蓋片B的壓強(qiáng)：
p=ρgh=1×10³kg/m³×10N/kg×0.5m=5000Pa，
水對(duì)蓋片B的壓力：
F=pS_B=5000Pa×60×10^-4m²=30N；
（2）桿對(duì)浮筒的拉力等于水對(duì)蓋片B的壓力，
即：F′=30N，
當(dāng)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)，浮筒受到的浮力：
F_全浮=ρ_水V_全排g=1×10³kg/m³×400×10^-4m²×0.2m×10N/kg=80N，
由于浮筒受到的浮力等于浮筒重加上桿對(duì)浮筒的拉力，即F_全浮=G_A+F′，
則浮筒A的重力：
G_A=F_全浮-F′=80N-30N=50N；
（3）設(shè)圓柱體浮筒A浸在水中的深度為h₁時(shí)，蓋片B又自動(dòng)關(guān)上則F_浮=G_A
即：ρ_水V_排g=G_A，
所以，1×10³kg/m³×400×10^-4m²×h₁×10N/kg=50N，
解得：
h₁=0.125m，
水箱中水的深度：
h₂=0.125m+0.3m=0.425m．
答：（1）當(dāng)水箱的水剛好浸沒(méi)浮筒A時(shí)，水對(duì)蓋片B的壓力是30N；
（2）浮筒A的重力是50N；
（3）水箱中水深為0.425m時(shí)蓋片B又自動(dòng)關(guān)上．

點(diǎn)評(píng) 本題關(guān)鍵有二：一是計(jì)算液體壓強(qiáng)關(guān)鍵確定水深大小，二是做好兩個(gè)臨界狀態(tài)（蓋片B被撇開、蓋片B又自動(dòng)關(guān)上）的受力分析．