Question

5．如圖是某校的自動(dòng)儲水裝置，輕質(zhì)杠桿AOB可繞O點(diǎn)無摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，A端通過細(xì)桿與圓柱體浮筒相連，B端通過細(xì)桿與壓力傳感開關(guān)S相連，杠桿始終保持水平，當(dāng)水位下降到浮筒的下表面時(shí)S閉合，電動(dòng)水泵開始向儲水池注水，當(dāng)水位上升到浮筒的上表面時(shí)S斷開，電動(dòng)水泵停止注水，此時(shí)壓力表傳感開關(guān)收到豎直向上的壓力恰好為120N．一次注水正好把15m³的水從地面送到儲水池中．已知進(jìn)水口離地面高為20m，OA：OB=3：1，浮筒重為70N，浮筒的上表面距池底為2m．求：
（1）停止注水時(shí)池底受到水的壓強(qiáng)；
（2）一次注水電動(dòng)水泵對水所做的功；
（3）圓柱體浮筒的體積．

Answer 1

分析 （1）已知水的深度h，根據(jù)p=ρgh計(jì)算出池底受到的水的壓強(qiáng)；
（2）已知水的質(zhì)量，根據(jù)G=mg計(jì)算出水的重力，根據(jù)W=Gh可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)水泵對水做的功；
（3）根據(jù)物體間力相互作用可知作用在杠桿B端的力，再根據(jù)杠桿平衡條件可以計(jì)算出作用在杠桿A端的力；對浮筒進(jìn)行受力分析知，浮筒受到浮筒受到向下的重力、向上的浮力和杠桿的拉力作用，可以計(jì)算出浮力大小，最后根據(jù)阿基米德原理計(jì)算出浮筒的體積．

解答 解：（1）停止注水時(shí)池底受到水的壓強(qiáng)：p=ρgh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×2m=2×10⁴P_a；
（2）由G=mg，ρ=$\frac{m}{V}$得一次注水的重力：
G=ρ_水gV_水=1.0×10³kg/m³×10N/kg×15m³=1.5×10⁵N，
電動(dòng)水泵對水所做的功即提升水至儲水裝置所做的功：W=Gh=1.5×10⁵N×20m=3×10⁶J；
（3）電動(dòng)水泵停止注水，此時(shí)壓力表傳感開關(guān)受到豎直向上的壓力恰好為120N，杠桿B端受到向下的力F_B也為120N，
由杠桿平衡條件得，F(xiàn)_A×OA=F_B×OB，
杠桿A端受到的力為F_A=$\frac{{F}_{B}×OB}{OA}$=$\frac{120N×1}{3}$=40N；
對浮筒受力分析可知，浮筒受到浮筒受到向下的重力、向上的浮力和杠桿的拉力作用，杠桿的拉力和浮筒對杠桿的拉力是一對相互作用力，大小相等；
即F_A+F_浮=G，
F_浮=G-F_A=70N-40N=30N，
由阿基米德原理F_浮=ρgV_排得：
V_排=$\frac{{F}_{浮}}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{30N}{1.0×1{0}^{3}kg/{m}^{3}×10N/kg}$=3×10^-3m³，
浮筒的體積等于排開水的體積，V_桶=V_排=3×10^-3m³．
答：（1）停止注水時(shí)池底受到水的壓強(qiáng)為2×10⁴P_a；
（2）一次注水電動(dòng)水泵對水所做的功3×10⁶J；
（3）圓柱體浮筒的體積為3×10^-3m³．

點(diǎn)評 本題考查了學(xué)生對壓強(qiáng)的計(jì)算、功的計(jì)算、杠桿平衡條件、阿基米德原理等知識的掌握和運(yùn)用，綜合性強(qiáng)，有一定難度；利用好條件“杠桿始終保持水平”是本題的關(guān)鍵（得出A端受到的拉力，再根據(jù)浮筒的重力和受到浮力的關(guān)系計(jì)算出浮力大小）．