Question

【题目】（13分）图中是一种牲畜饮水用自动装置的示意图。水箱底部有一出水孔，底盖A平时顶住水箱的出水孔，一旦饮水槽水位下降，浮球C受到的浮力减小，底盖A打开，水就通过出水孔从水箱流入饮水槽。设计水箱的最高水位为60 cm，水箱出水孔横截面积是30 cm2。底盖A及竖杆B的总质量是400 g，浮球C的质量是600 g，体积是2 dm3，g取10 N／kg。

（1）写出此装置应用到的物理知识（至少说出2条）；

（2）通过计算说明，这个自动装置在水箱蓄满水时是否能正常工作；

（3）若能正常工作，请分析说明影响此自动装置能否正常工作的因素；若不能正常工作，请提出使该自动装置正常工作的改进方案。

Answer 1

【答案】（1）此装置应用了压强、浮力、连通器、力的平衡等物理知识。（2）不能（3）可以采取的改进措施有：①适当减小出水孔的横截面积； ② 适当降低水箱蓄满水时的水位高度；③保持浮球质量不变的情况下，适当增大浮球的体积； ④ 在保持浮球体积不变的情况下，适当减小浮球的质量。

【解析】

试题分析：（1）此装置应用了压强、浮力、连通器、力的平衡等物理知识。

（2）以ABC为一整体进行受力分析：

ABC整体受到重力、水箱及其中的水向下的压力和向上的浮力

当浮球受到的向上的浮力大于底盖A、竖杆B和浮球C受到的重力及水箱中的水对底盖A向下的压力的合力时，底盖A会顶住水箱的出水孔．不再有水从水箱流入饮水池

底盖A、竖杆B和浮球C受到的重力G=mg=（600×10-3kg+400×10-3kg）×10N/kg=10N

水箱中蓄满水时，由公式p=ρgh及p=F/S得：

水箱中的水对底盖A向下的压力F=ρghS=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.6m×30×10-4m2=18N

由阿基米德原理，可得浮球受到的最大浮力F浮m=ρ水gV排m=1.0×103kg/m3×10N/kg×2×10-3m3=20N

因为在水箱中蓄满水时，浮球受到的最大浮力（20N ）小于底盖A、竖杆B和浮球C受到的重力及水箱中的水对底盖A向下的压力的合力（10N + 18N = 28N ），所以．这个自动装置在水箱蓄满水时不能王常工作。

（3）第一种情况：从上述计算过程可以看出，该自动装置能正常工作的条件是要保证浮球受到的向上的浮力不小于底盖A、竖杆B和浮球C受到的重力及水箱中的水对底盖A向下的压力的合力，因此浮球受到的重力（质量）；浮球的体积；底盖Ａ和竖杆B受到的重力；出水孔横截面积的大小等都是影响此自动装置能否正常工作的因素。

第二种情况：要使这个自动装置在水箱蓄满水时仍能正常工作，可以采取的改进措施有：①适当减小出水孔的横截面积；②适当降低水箱蓄满水时的水位高度；③保持浮球质量不变的情况下，适当增大浮球的体积；④在保持浮球体积不变的情况下，适当减小浮球的质量。