← 返回物理 ⏳ 漏刻模型 中考力学压轴

漏刻模型 · 浮力与压强综合

📐 力学💧 浮力📏 压强⚖️ 受力分析

📋 题目

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,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 = 5×10−2,内装水的质量为 m = 10 kg;浮船的底面积为 S = 5×10−3,浮船排开水的体积为 V = 4×10−4

📐 已知条件 ρ = 1.0×10³ kg/m³  |  g = 9.8 N/kg
S = S = 5×10−2 m²  |  S = 5×10−3
V = 4×10−4 m³  |  m甲初 = 10 kg

(1)求物体丙受到的浮力 F

(2)求容器乙底部受到水的压强 p

(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。

🏷 阿基米德原理 🏷 液体压强 p=ρgh 🏷 固体压强 p=F/S 🏷 受力平衡 🏷 浮力传递

✏️ 详细解答

(1) 物体丙受到的浮力 F

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。

F = ρ · g · V
= 1.0×10³ × 9.8 × 4×10−4
= 3.92 N

💡 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 = F = 3.92 N

F = 3.92 N

(2) 容器乙底部受到水的压强 p

先求浮船浸入水中的深度 h:

h = V / S
= 4×10−4 / 5×10−3
= 0.08 m

液体压强公式 p = ρgh(液体内部同一深度各方向压强相等):

p = ρ · g · h
= 1.0×10³ × 9.8 × 0.08
= 784 Pa
📎 补充推导:乙容器内原有水的质量
乙中水对底部压力:F = p · S = 784 × 5×10−2 = 39.2 N
乙中水的重力:G乙水 = F − F = 39.2 − 3.92 = 35.28 N
乙原有水质量:m乙水 = G乙水 / g = 35.28 / 9.8 = 3.6 kg
💡 关键:乙底受水压总力 = 水重力 + 浮力反作用力(丙通过浮力传给水的力)
p = 784 Pa

(3) 求注水时间 t

核心思路:甲、乙是相同容器,底面积 S 相等。压强相等 p = p,由 p = F/S,等价于对台阶压力相等:F = F

设注入乙中的水质量为 Δm

🔵 甲侧
剩余水:m = 10 − Δm
F = m · g
= (10 − Δm) × 9.8
🟠 乙侧
总压力 = 水重 + 丙重
F = (m乙水 + Δm)g + G
= (3.6 + Δm) × 9.8 + 3.92

令 F = F,列方程求解:

(10 − Δm) × 9.8 = (3.6 + Δm) × 9.8 + 3.92
98 − 9.8Δm = 35.28 + 9.8Δm + 3.92
98 − 39.2 = 19.6Δm
58.8 = 19.6Δm
Δm = 3 kg = 3000 g

注水速度:每分钟注入 150 g,则:

t = 3000 g / 150 g/min = 20 min
t = 20 分钟

✅ 最终答案

(1) F = 3.92 N
(2) p = 784 Pa
(3) t = 20 min