如图为某厕所自动冲水装置,浮筒 A 是边长为 20cm 的正方体,质量为 3kg,盖片 B 的表面积为80cm2,厚度不计, 连接 AB 的是长为 30cm,体积和质量都不计的硬杆。当供水管流进水箱的水恰好浸没浮筒 A 时,盖片 B 被拉开, 水通过排水管流出冲洗厕所。

(1)当水箱的水刚好浸没浮筒 A 时,水对盖片 B 的压力是多少?
(2)盖片 B 的质量是多少?
(3)当水箱的水有多深时,盖片将自动合上?
解析:
(1)其深度是:
h=20cm+30cm=50cm=0.5m
对B的压强和压力分别是
p=ρgh=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.5m
=5×103Pa
F=pS=5×103Pa×80×10-4m2
=40N
(2)A浸没时,受到的浮力大小是
F浮=ρ水gVA=1.0×103kg/m3×10N/kg×(20×10-2m)3
=80N
AB整体受力分析知:
F浮=F+mBg+mAg
代入数据并解之得
mB=1kg
(3)B打开后,其上下表面压力的合力零,故重新刚好合上时,AB整体受力分析为:
A受到的浮力和AB总重力是一对平衡力。设A此时浸入水的深度为h’,则
ρ水gSAh’=(mA+mB)g
代入数据并解之可得
h’=0.04m=4cm
则水箱中的水深为
h”=30cm+4cm=34cm
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