Question

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通过细绳与滑轮杠杆相连．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1m，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55N时，求物块A浸入水中的深度．

Answer 1

【答案】分析：（1）当物块A的顶部刚没入水面时，求出底部所处的深度，利用液体压强公式p=ρgh求底部受到水的压强；
（2）求出物块A的体积（物块A的顶部刚没入水面时排开水的体积），利用阿基米德原理求物块A所受的拉力；
（3）①当电子秤的示数为55N时，求出杠杆N端受到的拉力，知道力臂关系，可求杠杆M端受到的拉力；
②由于滑轮组不是由一股绳子缠绕而成，对每一个动滑轮受力分析，利用力的平衡求滑轮组对A的拉力；
③A受到的拉力加上浮力等于物体A的重力，据此求A受到的浮力，再根据阿基米德原理F_浮=ρ_水V_排g求排开水的体积，利用V_排=Sh_浸求物块A浸入水中的深度．
解答：解：
（1）当物块A的顶部刚没入水面时，底部所处的深度：
h=1m，
底部受到水的压强：
p=ρgh=1×10³kg/m³×10N/kg×1m=1×10⁴Pa．
（2）物块A的体积：
V_A=0.04m²×1m=0.04m³，
物体A重：
G_A=ρ_AV_Ag=1.5×10³kg/m³×0.04m³×10N/kg=600N，
∵物块A没入水中，
∴排开水的体积：
V_排=V_A=0.04m³，
物块A所受的浮力：
F_浮=ρ_水V_排g=1×10³kg/m³×0.04m³×10N/kg=400N；
物块A所受的拉力：
F_拉=G_A-F_浮=600N-400N=200N；
（3）①电子秤的示数F_示=G_B-F_N，则杠杆N端受到的拉力：
F_N=G_B-F_示=100N-55N=45N，
∵杠杆平衡，MO：ON=1：2
∴F_ML_OM=F_NL_ON，
∴杠杆M端受到的拉力：
F_M=90N；
②滑轮与转轴的摩擦、杠杆与轴的摩擦均忽略不计，
滑轮D受到向下的拉力：
F_D=2F_M=2×90N=180N，
滑轮C受到向下的拉力：
F_C=2F_D=2×180N=360N，
∴滑轮组对A的拉力：
F_拉A=F_C=360N；
③∵F_拉A+F_浮=G_A，
∴F_浮=G_A-F_拉A=ρ_AV_Ag-F_拉A=1.5×10³kg/m³×0.04m³×10N/kg-360N=600N-360N=240N，
∵F_浮=ρ_水V_排g，
∴V_排===0.024m³，
∵V_排=Sh_浸，
∴物块A浸入水中的深度：
h_浸===0.6m．
答：（1）当物块A的顶部刚没入水面时，底部受到水的压强为1×10⁴Pa；
（2）当物块A的顶部刚没入水面时，物块A所受的拉力为200N；
（3）物块A浸入水中的深度为0.6m．
点评：本题为力学综合题，考查了浮力的计算、液体压强的计算、杠杆平衡条件的应用，难点在第三问，注意滑轮组不是由一股绳子缠绕而成，要对每一个动滑轮受力分析，进行计算，易错点！