题目内容

【题目】某游乐园有一喷泉,竖直向上喷出的水柱将一质量为m = 0.9kg的开口向下的铁盒倒顶在空中,铁盒稳定悬停。已知水以恒定的速率v0 = 10m/s,从截面积为S = 100mm2的管口中持续不断的喷出;盒子内底平整(盒子底面积大于与盒底接触的水流截面积);水流向上运动并冲击铁盒后,在竖直方向水的速度减为零,在水平方向朝四周均匀散开。忽略空气阻力,已知水的密度为 = 1103 kg/m3,重力加速度g = 10m/s2,求:

(1)喷泉单位时间内喷出的水的质量;

(2)盒子在空中悬停时,其底面相对于喷口的高度h;

【答案】(1)1kg ;(2)0.5m

【解析】

(1)设时间内,从喷口喷出的水的体积为,质量为,则

由以上两式代入数据得

故单位时间内从喷口喷出的水的质量为1 kg/s。

(2)设玩具悬停时其底面相对于喷口的高度为h,水从喷口喷出后到达玩具底面时的速度大小为v。对于t时间内冲击铁盒的水m,由动能定理得

以竖直向上为正方向,设水对玩具的作用力的大小为F,t时间内冲击铁盒的水的质量忽略不计,由动量定理得

由于玩具在空中悬停,由力的平衡条件得

联立以上各式代入数据得

故盒子在空中悬停时,其底面相对于喷口的高度为0.5m。

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