某兴趣小组为制作可计时的简易"漏刻"模型,分别将两个完全相同的圆柱形薄壁容器甲、乙放置在高低不同的水平台阶上,如图所示。盛满水的容器甲底部有一个出水管(此时出水管上的阀门关闭),盛有水的容器乙中有一个由标尺和圆柱形浮船组成的物体丙,其下表面刚好与容器乙底部接触但无压力。
已知容器甲的底面积为 S甲 = 5×10−2 m²,内装水的质量为 m甲 = 10 kg;浮船的底面积为 S船 = 5×10−3 m²,浮船排开水的体积为 V排 = 4×10−4 m³。
(1)求物体丙受到的浮力 F浮。
(2)求容器乙底部受到水的压强 p乙。
(3)打开出水管的阀门,容器甲中的水缓慢注入容器乙,每分钟注入质量为 150g 的水,求从刚开始注水到容器甲、乙对台阶的压强相等时所用的时间。
由阿基米德原理:浸在液体中的物体所受浮力等于它排开液体所受的重力。
💡 初始时丙下表面与乙底接触但无压力,说明丙处于平衡状态:G丙 = F浮 = 3.92 N
先求浮船浸入水中的深度 h:
由液体压强公式 p = ρgh(液体内部同一深度各方向压强相等):
核心思路:甲、乙是相同容器,底面积 S 相等。压强相等 p甲 = p乙,由 p = F/S,等价于对台阶压力相等:F甲 = F乙。
设注入乙中的水质量为 Δm:
令 F甲 = F乙,列方程求解:
注水速度:每分钟注入 150 g,则: