题目内容

20.如图是某公共厕所的自动冲水装置.浮筒A是边长为20cm质量为3kg的正方体,盖片B的上表面积100cm2,厚度不计(质量计).连接AB的是长为20cm,体积和质量都不计的硬杆.当供水管流进水箱的水刚好浸没浮筒A时,盖片B被拉开,水通过排水管冲洗厕所,当水位下降到一定深度时盖片B自动关闭.求:
(1)当水箱中只有10cm深的水时,水箱底部受到水的压强为多少Pa?
(2)当水箱的水刚好浸没浮筒A时,水对盖片B的压力是多少N?
(3)盖片B的质量是多少kg?
(4)当盖片B 刚好关闭时,水箱水的深度是多少m?
(水的密度为1×103 kg/m3,g取10N/kg)

分析 (1)知道水深和水的密度,利用液体压强公式求水箱底部受到水的压强;
(2)当水箱的水刚好浸没浮筒A时,水的深度为浮筒A边长和AB长的和,可利用P=ρ水gh计算出水对盖片B的压强,再利用公式F=PS算出水对盖片B的压力;
(3)设浮子A的密度为ρA,知道A的体积,利用阿基米德原理求出水刚浸没浮子A时它受到的浮力,此时A受到的浮力等于A受到的重力、B受到的重力、B对A的拉力之和,据此求B的质量.
(4)当盖片B刚好关上时,浮筒A受到的浮力与浮筒A和盖片B的重力,据此求出浮力,然后根据F浮=ρ液gV排求出浮筒A浸没的体积,根浮筒A的底面积求出浸没的深度,浮筒A浸没的深度与AB的之和即为水箱的深度.

解答 解:
(1)水深只有10cm时,水对底部压强:p1=ρgh1=1×103kg/m3×10N/kg×0.1m=1×103Pa;
(2)水刚好浸没浮子A时,水深:h2=hA+L杆=20cm+20cm=40cm=0.4m,
水对盖片B的压强:pB=ρ水ghB=1×103kg/m3×10N/kg×0.4m=4×103Pa;
由p=$\frac{F}{S}$得水对盖片B的压力:
F压=pB•SB=4×103Pa×100×10-4m2=40N;
(3)水刚浸没浮子A时,浮子受到的浮力:
F浮=ρ水gV排=ρ水gVA=1×103kg/m3×10N/kg×(0.2m)3=80N,
浮子A的重:GA=mAg=3kg×10N/kg=30N,
当盖片B被拉开前瞬间,B受到水对其向下的压力F压=40N,
以A和B的整体为研究对象,A受到的浮力等于A和B总重加上压力,即F浮=GA+GB+F压,
所以,盖片B的重:GB=F浮-GA-F压=80N-30N-40N=10N,
则盖片B的质量:mB=$\frac{{G}_{B}}{g}$=$\frac{10N}{10N/kg}$=1kg;
(4)当盖片B刚好关上时,以A和B的整体为研究对象,A受到的浮力等于A和B总重,
所以此时浮子A受到的浮力:F浮′=GA+GB=30N+10N=40N,
浮子排开水的体积:V排′=$\frac{{F}_{浮}′}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{40N}{1.0×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×10N/kg}$=4×10-4m3;
A浸入的深度:h浸=$\frac{{V}_{排}′}{{S}_{B}}$=$\frac{4×1{0}^{-4}{m}^{3}}{0.2m×0.2m}$=0.1m,
此时水箱的深度:h3=L杆+h浸=0.2m+0.1m=0.3m.
答:(1)当水箱中只有10cm深的水时,水箱底部受到水的压强为1×103Pa;
(2)当水箱的水刚好浸没浮筒A时,水对盖片B的压力是40N;
(3)盖片B的质量是1kg;
(4)当盖片B 刚好关闭时,水箱水的深度是0.3m.

点评 本题考查压力、质量、浮力、密度以及液体压强的计算,关键是公式及其变形的灵活运用,难点是对物体受力的分析和水箱中水的深度的计算.

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