Question

圖10-6是一種牲畜飲水用自動(dòng)裝置的示意圖。水箱底部有一出水孔，底蓋A甲時(shí)頂住水箱的出水孔。一旦飲水槽水位下降，浮球C受到的浮力減小，底蓋A打開，水就通過(guò)出水孔從水箱流入飲水槽。設(shè)計(jì)水箱的最高水位60cm。水箱出水孔橫截面積是30cm²。底蓋A及豎桿B的總質(zhì)量是400g，浮球c的質(zhì)量是600g，體積是2dm³，g取10N/kg。

（1）寫出此裝置應(yīng)用到的物理知識(shí)(至少寫出2條)；

（2）通過(guò)計(jì)算說(shuō)明，這個(gè)自動(dòng)裝置在水箱蓄滿水時(shí)能否正常工作；

（3）若能正常工作，請(qǐng)分析說(shuō)明影響此自動(dòng)裝置能否正常工作的因素；若不能正常工作，請(qǐng)?zhí)岢鍪乖撟詣?dòng)裝置正常工作的改進(jìn)方案。

Answer 1

（1）此裝置應(yīng)用了壓強(qiáng)、浮力、連通器、力的平衡等物理知識(shí)。

（2）以ABC為一整體進(jìn)行受力分析

 ABC整體受到重力、水箱及其中的水向下的壓力和向上的浮力。

當(dāng)浮球受到的向上的浮力大于底蓋A、豎桿B和浮球C受到的重力及水箱中的水對(duì)底蓋A向下的壓力的合力時(shí)，底蓋A會(huì)頂住水箱的出水孔，不再有水從水箱流入飲水池。

底蓋A、豎桿B和浮球C受到的重力

G=mg=(600×10^-3kg+400×10^-3kg)×10N/kg=10N

水箱中蓄滿水時(shí)，由公式p=ρgh及p=F/S得

水箱中的水對(duì)底蓋A向下的壓力

F=ρghS=1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.6m×30×10^-4m²=18N

由阿基米德原理，可得浮球受到的最大浮力

F_浮m=ρ_水gV_排m=1.0×10³kg/m³×10N/kg×2×10^-3m³=20N

因?yàn)樵谒�箱中蓄滿水時(shí)，浮球受到的最大浮力（20N ）小于底蓋A、豎桿B和浮球C受到的重力及水箱中的水對(duì)底蓋A向下的壓力的合力（10N + l8N = 28N ) ，所以,這個(gè)自動(dòng)裝置在水箱蓄滿水時(shí)不能正常工作。

（3）第一種情況：從上述計(jì)算過(guò)程可以看出，該自動(dòng)裝置能正常工作的條件是要保證浮球受到的向 上的浮力不小于底蓋A、豎桿B和浮球C受到的重力及水箱中的水對(duì)底蓋Ａ向下的壓力的合力，因此浮球受到的重力（質(zhì)量）；浮球的體積；底蓋Ａ和豎桿B受到的重力；出水孔橫截面積的大小等都是影響此自動(dòng)裝置能否正常工作的因素。

第二種情況：要使這個(gè)自動(dòng)裝置在水箱蓄滿水時(shí)仍能正常工作，可以采取的改進(jìn)措施有： ① 適當(dāng)減小出水孔的橫截面積； ② 適當(dāng)降低水箱蓄滿水時(shí)的水位高度； ③ 保持浮球質(zhì)量不變的情況下，適當(dāng)增大浮球的體積； ④ 在保持浮球體積不變的情況下，適當(dāng)減小浮球的質(zhì)量。