(2018·长沙)某校科技小组参观完湘江航电枢纽后,了解到船只过船闸的时间很长,为此他们在网查阅资料,设计了一个船只升降实验模型。模型中的左右两个船厢A、B的容积均为2000cm3,质量均为400g(含配件)。现关闭进水阀和排水阀,使柱形容器E(质量不计)中有足够多的水,在船厢A、B中各装800g的水,整个装置静止后,圆柱体浮筒D浸在水中的深度为8cm,他们依次进行了如下(2)~(3)的操作。假设绳子足够长,不计绳重和伸长,浮筒D与容器E始终无接触,且容器E的水无溢出,实验过程中设法确保装置平稳,忽略摩擦,木头不吸水,ρ木<ρ水。(ρ水=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)。
(1)船厢中各装800g的水后,求每只船厢所受的总重力;
(2)打开进水阀,在柱形容器E中注入一定质量的水,浮筒D上升,使船厢下降10cm,再关闭进水阀,求:
①船厢A的总重力对A所做的功;
②此时浮筒D浸入水中的深度;
(3)当操作(2)使船厢下降10cm后静止时,压强传感器柱形容器显示4400Pa;接下来,用手使浮筒D保持此刻位置不变,再在两边船厢中同时放入代表船只的800g木块后,打开排水阀,放出200cm3的水后关闭排水阀,然后松手,浮筒D仍然在原位置保持静止,绳C的拉力为18N,压强传感器显4000Pa;然后,把800g木块同时从船厢中取出,并在船厢中同时注满水,再把900g和1000g的木块分别放入A、B船厢后,当整个装置静止时,压强传感器的示数为p1;最后,打开进水阀向容器中缓慢注入m千克水,使压强传感器的示数为3p1,再关闭进水阀。求浮筒D的质量和注入圆柱形容器E中的水的质量m。
解析:(1)重力G=mg=(0.4kg+0.8kg)×10N/kg=12N ;
(2)①W=Fs=Gh=12N×0.1m=1.2J;
②h浸=8cm;
由FC+G动=G厢,可得G动=G厢—FC=20N-18N=2N,
由Δp=ρ液gΔh=400Pa,
由
12N—G动=GD—F浮
20N—G动=GD—F浮ˊ
解得ΔF浮=8N,
;
F浮=ρ水gh浸Δh=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.08m×0.02m2=16N ,
F浮ˊ=16N—8N=8N,GD=10N+16N=26N,mD=2.6kg;
由ΔV=(SE—SD)Δh,;
由4000Pa×SE=G水+F浮ˊ,
G水=4000Pa×250×10-4cm2—8N=92N,
注满水,20N+4N—2N=GD—F浮ˊ,F浮ˊ=4N,
由于
P1SE=G水+F浮ˊ=92N+4N=96N,
3P1SE=G水+ΔG注+F浮ˊ
。
故答案为:(1)12N;(2)①1.2J;②8cm。(3)19.2kg。