题目内容

13.如图所示,底面积为0.02米2、高为0.15米的薄壁圆柱形容器甲,放置于水平地面上,内盛有0.1米深的水;另有高为0.4米的圆柱形木块乙,同样放置于水平地面上,底面积为0.01米2,密度为0.5ρ,求:
①水对容器底部的压强p
②圆柱形木块乙的质量m
③若在乙上方沿水平方向切去厚为△h的木块,并将切去部分竖直放在容器甲内,此时水对容器底部的压强增加量为△p,容器对地面的压强增加量为△p,请求出△p与△p相等时的△h的取值范围.

分析 ①知道深度,利用p=ρgh求水的压强;
②知道圆柱形木块乙底面积和高度,求出木块乙体积,再利用m=ρV求木块乙的质量m
③由于ρ<ρ,则△h的木块竖直放在容器甲内静止后木块处于漂浮状态,由于容器甲是薄壁圆柱形容器,当水对容器底部的压强增加量为△p与容器对地面的压强增加量为△p是始终相等的;
当水溢出后木块仍漂浮时溢出水的重力与木块再增加的重力相等,故水溢出后水对容器底部的压强增加量为△p与容器对地面的压强增加量为△p也始终相等的;故当木块对甲容器底部刚刚接触,仍处于漂浮时△h最大,据此即可求出△h的最大值.

解答 解:①水对容器底部的压强:
pgh=1×103kg/m3×10N/kg×0.1m=1000Pa;
②木块乙的体积V=Sh=0.01m2×0.4m=4×10-5m3
木块乙的密度ρ=0.5ρ=0.5×1×103kg/m3×=0.5×103kg/m3
由ρ=$\frac{m}{V}$得:
mV=0.5×103kg/m3×4×10-5m3=0.02kg;
③由于ρ=0.5×103kg/m3<ρ,则△h的木块竖直放在容器甲内静止后木块处于漂浮状态;
当水未溢出时,由于容器甲是薄壁圆柱形容器,则此时水对容器底部的压强增加量:
△p=$\frac{△G}{{S}_{甲}}$=$\frac{{{ρ}_{乙}S}_{乙}△h}{{S}_{甲}}$,
容器对地面的压强增加量:
△p=$\frac{△F}{{S}_{甲}}$=$\frac{△G}{{S}_{甲}}$=$\frac{{{ρ}_{乙}S}_{乙}△h}{{S}_{甲}}$,
所以,只要水未溢出时,水对容器底部的压强增加量为△p与容器对地面的压强增加量为△p是始终相等的;若水会溢出,当木块仍处于漂浮状态时,△G=△F,△G=△F;则△G=△G
即水会溢出后,虽然水对容器底部的压力不再增加,△p不变;但木块对甲容器底部刚刚接触恰好处于漂浮时,再增加的木块重力与木块再溢出水的重力相等;所以,木块对甲容器底部刚刚接触,仍处于漂浮时△h最大;此时木块排开水的体积为V排最大=Sh,根据漂浮条件可得:F=G
即:ρgV排最大g△h最大S,则:ρgSh=$\frac{1}{2}$ρg△h最大S
所以,△h最大=2h=2×0.15m=0.3m.
则△h的取值范围是0~0.3m.
答:①水对容器底部的压强p=1000Pa;
②圆柱形木块乙的质量m=0.02kg;
③△p与△p相等时的△h的取值范围是0~0.3m.

点评 本题为力学综合题,考查了学生对重力公式、密度公式、液体压强公式、压强定义式的掌握和运用,本题难点在判断得出只要水溢出后,木块对甲容器底部刚刚接触恰好处于漂浮时,水对容器底部的压强增加量为△p与容器对地面的压强增加量为△p是始终相等的,属于难题!

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