题目内容
1.已知水箱底为边长L=40cm的正方形,A是一面积为50cm2的长为L1=8cm的长方形放水阀门,其质量和厚度忽略不计,且恰好能将排水管口盖严,阀门在左端用活页固定在箱底的排水管口的边缘,右端通过一很小的挂钩及连杆与浮子B相连,连杆的长度h0=10cm,浮子B的高是H=30cm、质量m=0.4kg的空心圆柱体,设水箱每次放水都能将水箱中的水全部放净,当水箱内水面涨到36cm时开始放水,(g取10N/kg)求:
(1)此时A受到水的压强、压力分别为多少?
(2)浮子B的横截面积为多大?
(3)若自来水进水管的流量是0.2m3/h,水箱某次放水结束到下次开始放水的时间间隔为多少?(此时可忽略浮子B排开水的体积.
分析 (1)利用p=ρgh求出水产生的压强,利用F=pS求出压力;
(2)浮子B对阀门A产生一个向上的拉力,这个拉力使阀门A向上运动造成阀门A打开,水向外流出.
①以浮子B为研究对象,对其受力分析:其受到的向下的重力、连杆对其向下拉力和向上的浮力.其处于平衡状态,从而可以得到三者的关系.进而可以得到连杆拉力和水的高度的关系式;
②以阀门A为研究对象,它是一个以左端为支点的杠杆.动力为连杆对其向上的拉力,动力臂等于其直径;阻力为水对它向下的压力,其作用点在其圆心上,因此阻力臂为其半径.根据杠杆的平衡条件可以得到连杆拉力和水的高度的关系式.
两者联立可以求得水的高度.
(3)当水箱内的水高度达到设计高度时,水箱内的水就向外排出,因此水管中流出的水的体积等于水箱内水达到设计高度时的体积时,所用的时间就是间隔的放水时间.
解答 解:(1)已知:水箱中水面高度为h=36cm=0.36m,SA=50cm2=5×10-3m2,
则A受到水的压强pA=ρ水gh=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.36m=3.6×103Pa,
由p=$\frac{F}{S}$得:水对容器底部的压力FA=pASA=3.6×103Pa×5×10-3m2=18N.
(2)已知h0=10cm=0.1m,L1=8cm=0.08m,m=0.4kg,H=30cm=0.3m,
设浮子B的横截面积为SB,连杆对阀门A的拉力为T,此时阀门刚好可被拉开.
此时浮子B浸入水中的深度是:h-h0,则排开的水的体积是:V排=SB(h-h0),
受到的浮力:F浮=ρ水gSB(h-h0),
对浮子B根据平衡条件有:mg+T=F浮=ρ水gSB(h-h0),
即:0.4kg×10N/kg+T=1×103kg/m3×10N/kg×SB×(0.36m-0.1m)----------------①
由于阀门在左端用活页固定在箱底的排水管口的边缘,右端通过一很小的挂钩及连杆与浮子B相连,则以阀门左端为支点,对放水阀门A根据杠杆的平衡条件有:T×L1=FA×$\frac{1}{2}$L1,
即:T×0.08m=18N×0.04m----------------②
联立①②式可解得:SB=5×10-3m2.
(2)已知:边长L=40cm=0.4m,Q=0.2m3/h.
当水位达到设计高度时,水箱内水的体积为:V水=L2h-V排=(0.4m)2×0.36m-5×10-3m2×(0.36m-0.1m)=0.0563m3,
自来水管的流量Q=0.2m3/h 蓄满一箱水所用时间
t=$\frac{{V}_{水}}{Q}$=$\frac{0.0563{m}^{3}}{0.2{m}^{3}/h}$=0.2815h≈17min
答:(1)此时A受到水的压强、压力分别为3.6×103Pa、18N.
(2)浮子B的横截面积为5×10-3m2.
(3)若自来水进水管的流量是0.2m3/h,水箱某次放水结束到下次开始放水的时间间隔为17分钟.
点评 本题综合了二力平衡的条件、液体压强的计算、阿基米德原理、杠杆的平衡条件等多个知识点,综合性较强,题目的难度较大.
在此题的第一问中,两次确定研究对象,得到关于连杆拉力和浮子B的横截面积的关系式是解决此题的难点.
| A. | 电压表示数变大,灯泡变亮 | B. | 电流表示数不变,灯泡变亮 | ||
| C. | 电流表示数变小,灯泡变暗 | D. | 电压表示数变小,电流表示数变大 |