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  • 某工廠設(shè)計了一個蓄水池,如圖所示,水源A罐的液面高度h1=3m,且保持不變.罐底有一個小出水口,面積為S1,S1=0.1m2.孔下通過一個截面積為S2活塞與杠桿BC相連,S2=0.24m2.杠桿可繞B端上下

    某工廠設(shè)計了一個蓄水池,如圖所示,水源A罐的液面高度h1=3m,且保持不變.罐底有一個小出水口,面積為S1,S1=0.1m2.孔下通過一個截面積為S2活塞與杠桿BC相連,S2=0.24m2.杠桿可繞B端上下轉(zhuǎn)動,另一端有一個中空的圓柱體浮子,橫截面積為S3,S3=0.8m2,BO是杠桿總長
    1
    3
    .原設(shè)計打算當(dāng)杠桿水平時,浮子浸入水深為h2,h2=0.7m,活塞恰好能賭住出水口,但在使用時發(fā)現(xiàn),活塞離出水口尚有一小段距離時,浮子便不再上浮,此時浮子浸入水深為h3,h3=1m,為了使活塞自動堵住出水口,只得將浮子的質(zhì)量減去一部分,設(shè)減去的質(zhì)量為m′.(g取10N/kg,杠桿水平時,認(rèn)為BO仍是杠桿總長
    1
    3
    ,活塞及連桿和杠桿的質(zhì)量均不計,杠桿所受浮力不計,浮子浸入水中體積變化引起的蓄水池液面變化忽略不計.)試求

    (1)活塞應(yīng)上升的高度是多少;
    (2)浮子應(yīng)減去質(zhì)量m′是多少.
    物理人氣:546 ℃時間:2019-10-19 06:51:50
    優(yōu)質(zhì)解答
    設(shè)浮子原來重力為G,杠桿長為l.浮子減重后,重為G′,由傾斜變?yōu)樗?,如圖所示,杠桿C端上升高度為EC=h3-h2=0.3m,活塞上升的高度△h即為OD的長度.
        
    根據(jù)數(shù)學(xué)知識,三角形BDO相似于三角形BEC,
    所以:
    DO
    EC
    =
    BO
    BC
    =
    BD
    BE

    因為BO是杠桿總長
    1
    3

    所以:
    DO
    EC
    =
    BO
    BC
    =
    BD
    BE
    =
    1
    3
    ,
    因為EC=0.3m,所以O(shè)D=0.1m,即活塞上升高度DO段長為△h=0.1m.        
    (2)活塞減重前,杠桿平衡時,支點(diǎn)為B,
    以浮子為研究對象,C端受到的合力為F-G=(S3h3ρg-G),該力的力臂BE,
    O點(diǎn)受到的力為FgS2(h1+△h),該力的力臂設(shè)為BD,
    根據(jù)杠桿平衡條件可得:(F-G)BE=FBD,即:
    (S3h3ρg-G)BE=ρgS2(h1+△h)BD,
    BD
    BE
    =
    1
    3
    ,
    即:3(S3h3ρg-G)=ρgS2(h1+△h),
    代入數(shù)據(jù)得:3(0.8m2×1m×103kg/m3×10N/kg-G)=103kg/m3×10N/kg×0.24m2(3m+0.1m),
    解得:G=5520N.
    浮子減重后,杠桿平衡時,以杠桿為研究對象,進(jìn)行受力分析:

    C端受到的合力為
    F′-G′=S3h2ρg-G′,此力的力臂為BC,
    O點(diǎn)受到的力為F′gS1h1,此力的力臂為BO.
    根據(jù)杠桿平衡有:(S3h2ρg-G′)BC=ρgS1h1 BO,
    即為:3〔S3h2ρg-G′〕=ρgS1h1,
    代入數(shù)據(jù)得:3(0.8m2×0.7m×103kg/m3×10N/kg-G′)=103kg/m3×10N/kg×0.1m2×3m.
    解得:G′=4600N.
    減去的浮子的重力:△G=G-G′=5520N-46OON=920N,
    減去的浮子的質(zhì)量:△m=
    △G
    g
    =
    920N
    10N/kg
    =92kg.
    答:(1)活塞應(yīng)上升的高度是0.1m;
    (2)浮子應(yīng)減去質(zhì)量m′是92kg.
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