如图是利用电子秤显示水库水位装置的示意图。该装置主要由不计重力的滑轮C、D,长方体物块A、B以及轻质杠杆MN组成。物块A通过细绳与滑轮C相连,物块B通过细绳与杠杆相连。杠杆可以绕支点O在竖直平面内转动,杠杆始终在水平位置平衡,且MO:ON=1:2。已知物块A的密度为1.5×103kg/m3,底面积为0.04m2,高1 m ,物块B的重力为100N。滑轮与转轴的摩擦、杠杆与轴的摩擦均忽略不计,g取10N/kg。求:
(1)当物块A的顶部刚没入水面时,底部受到水的压强大小;
(2)当物块A的顶部刚没入水面时,物块A所受的拉力大小;
(3)若水位发生变化,当电子秤的示数为55 N时,求物块A浸入水中的深度。
解析:
(1)物块A顶部刚没入水面时,底部在水面下的深度等于其高度,即h=1m,故底部受到的压强为:
p=ρ水gh=1.0×103kg/m3×10N/kg×1m=1.0×104Pa
(2)A物块的体积是:
VA=SAhA=0.04m2×1m=0.04m3
物块A的质量和重力:
mA=ρAVA=1.5×103kg/m3×0.04m3=60kg
GA=mAg=60kg×10N/kg=600N
A物块受到的浮力:
FA浮=ρ水gV排=ρ水gVA=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.04m3
=400N
物块A受到的拉力:
FA=GA-FA浮=600N-400N=200N
(3)当电子称的示数是55N时,即电子称受到的压力是55N,此时电子称对物块B的支持与压力是相互作用的力,故大小相等,也为FB=55N,故杠杆N端受到的拉力为:
FN=GB-FB=100N-55N=45N
根据杠杆平衡条件,设M端的拉力为FM,则
FM×OM=FN×ON
代入数据并解之得:
FM=90N
绳子C端受到的拉力为:
FC=2FM=2×90N=180N
物块A受到的拉力:
FA’=2FC=2×180N=360N
此时A受到的浮力是:
FA浮’=GA-FA’=600N-360N=240N
这时,A排开水的体积是:
V排’= | FA浮’ | = | 240N | =0.024m3 |
ρ水g | 1.0×103kg/m3×10N/kg |
物块A深入水中的深度是:
hA’= | V排’ | = | 0.024m3 | =0.6m |
SA | 0.04m2 |
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