Question

图是一种厕所水箱结构．
进水阀与浮简相连，它们可以沿着滑杆上、下自由滑动，当水箱中的水位下降时，浮筒所受浮力减小，进水阀随浮筒一起下降，进水口打开，水箱开始注水（图甲）．随着水位上升，浮筒所受浮力增大．当水位上升到一定高度，进水阀随浮筒向上移动最终封住出水口（图乙）．
排水阀是一个空心橡胶盖，放水时它漂浮在水中，随着水的排出，水面降低橡胶盖封住排水口，排水过程结束．注水过程中和注满水后，橡胶盖都盖住排水口．



（1）浮筒的最小体积是工程师设计时要考虑的重要参数，为此需要知道和测量哪些物理量？用字母表示各物理量，推导出浮筒最小体积的表达式．生产厂家实际制造中，浮筒的体积与你计算的结果关系怎样？为什么？
（2）排水过程中橡胶盖所受浮力及重力有什么关系？它为什么能封住排水口而不浮起？
（3）这个装置的一个重要缺点是每次冲刷要放掉一箱水，请你对橡胶盖进行改造，使按下扳手，橡胶盖抬起放水，放下扳手，橡胶盖盖上排水口停止放水．

Answer 1

（1）当浮筒刚好完全淹没时，F_浮=G，
ρ_水gV=G，
V=

G

ρ水g

=

m

ρ水

，因此需要测量浮筒的质量和水的密度，即ρ_水和m；
生产厂家实际制造中，浮筒的体积要比计算出的结果大；如果刚好等于计算出的体积，浮筒受到的浮力不会大于重力，也就是说浮筒不会上浮．
（2）图（甲）中放水时空心橡胶盖漂浮在水面上，所以它所受重力与浮力相等；
图（乙）中注水过程和注满水后橡胶盖能紧紧盖在出水口是因为橡胶盖与出水口紧密接触，此时橡胶盖下部没有水，不受水对它向上压力，所以不受浮力，则在其自身重力和上部水向下压力的作用下会盖住出水口而不浮起．
（3）若要使放开手柄后橡胶盖就立即盖上出水口，橡胶盖就要下沉，重力要大于浮力，因此要将橡胶盖适当加重，如加配重物．
故答案为：（1）需要测浮筒的质量和水的密度；符号为ρ_水和m；最小体积的表达式：V=

m

ρ水

；生产厂家实际制造中，浮筒的体积要比计算出的结果大；如果刚好等于计算出的体积，浮筒受到的浮力不会大于重力，也就是说浮筒不会上浮．
（2）重力与浮力相等；因为橡胶盖与出水口紧密接触，此时橡胶盖下部没有水，不受水对它向上压力，所以不受浮力，则在其自身重力和上部水向下压力的作用下会盖住出水口而不浮起．
（3）若要使放开手柄后橡胶盖就立即盖上出水口，橡胶盖就要下沉，重力要大于浮力，因此要将橡胶盖适当加重，如加配重物．