Question

如圖所示，柱形容器重力不計，底面積為6×10^-2 m²．容器內(nèi)放有一密度為0.6×10³kg/m³，體積為10^-3 m³正方形木塊，用一條質(zhì)量可忽略不計的細繩，兩端分別系于木塊底部中心和柱形容器的中心．容器內(nèi)有一定質(zhì)量的水，水深20cm，此時木塊處于漂浮，但細繩剛好拉直，對木塊沒有拉力．細繩能承受的最大拉力為3牛．求：
（1）木塊漂浮時，浸入水中的體積多大？
（2）向容器內(nèi)緩慢注水，細繩對木塊的拉力剛好達到最大時值，木塊排開水的體積？
（3）向容器內(nèi)緩慢注水（水未溢出）多少千克時，細繩斷裂？
（4）細繩斷裂后，整個容器對水平桌面的壓強是多大？

Answer 1

解：（1）木塊漂浮且繩沒有拉力時，F(xiàn)_浮=G_木
∵F_浮=ρ_水g V_排 G_木=ρ_木 V_木g
∴V_排===6×10^-4m³
（2）繩子拉力最大時，木塊受力平衡，則F_浮′=ρ_水g V_排′=G_木+F_繩
V_排′===9×10^-4m³
（3）注水后，木塊排開水的體積變化為V_排′-V_排=3×10^-4m³=300cm³
木塊增加的浸沒深度△h===3cm
∴加入的水的體積V_水=△h×（S_底-S_木）=3cm×500cm²=1500cm³
∴m_水=ρ_水V_水=10³kg/m³×1.5×10^-3m³=1.5kg
（4）因為容器為直柱體，且容器重力不計，所以，
細繩斷裂之后，（木塊重新漂�。﹦t整個容器對桌面的壓強 P_總=P₁+P_水
∵P₁=ρ_水gh=10³kg/m³×10N/kg×0.2m=2×10³Pa
P_水===250Pa
∴P_總=P₁+P_水=2000Pa+250Pa=2250Pa
答：（1）木塊漂浮時，浸入水中的體積為6×10^-4m³；
（2）細繩對木塊的拉力剛好達到最大時值，木塊排開水的體積為9×10^-4m³；
（3）向容器內(nèi)注水超過1.5kg時，細繩斷裂；
（4）細繩斷裂后，整個容器對水平桌面的壓強是2250Pa．
分析：（1）根據(jù)漂浮時浮力等于重力，可求出木塊的排水體積，用到浮力公式與重力的公式；
（2）對此時的木塊進行受力分析可知，此時浮力等于木塊的重力加3N的拉力，據(jù)此可利用公式計算木塊的排水體積；
（3）根據(jù)前兩問的結(jié)果可求細繩拉力達到3N時木塊增加的排水體積，進而求出增加的浸沒深度，用容器的底面積減去木塊的底面積，再乘以浸沒深度就是加入水的體積，最后求出這部分水的質(zhì)量；
（4）求出加水前的壓強，再加上增加的水產(chǎn)生的壓強，就是整個容器對水平桌面的總壓強．
點評：解決此題用到的知識比較多，有漂浮條件、浮力的公式、重力公式、體積公式、壓強公式、密度公式等，靈活運用公式至關(guān)重要，但真正的難點還在于對題意的正確分析．