Question

漏刻是我國古代一種用滴水來計量時間的儀器．
如圖所示是漏刻的簡單模型．圖中容器A是底面積為250cm²的圓柱形薄壁玻璃缸，容器頂蓋上有大小兩個孔；B是用密度為0.5×10³kg/m³塑料制作的邊長為10cm立方體底托；C為質(zhì)量可忽略不計、總長度為60cm的輕質(zhì)塑料標(biāo)尺，標(biāo)尺的一端與底托相連，標(biāo)尺上均勻的刻有厘米刻度；D為固定于容器蓋口處的指示箭頭．某次模擬計時實驗中，同學(xué)們先將自來水龍頭調(diào)至均勻間隙滴水狀態(tài)，并測得水龍頭每分鐘滴水50滴，并用量筒測得每50滴水的體積為25.0cm³．再在容器A中加入適量水，將底托B放入水中，使其浮于水面上，此時標(biāo)尺C呈豎直狀態(tài)且位于大孔下方，指示箭頭D恰好指于標(biāo)尺的頂端零刻度處．此時開始滴水計時，假設(shè)整個計時過程標(biāo)尺始終處于豎直狀態(tài)，經(jīng)過3小時后，問：
（1）指示箭頭D應(yīng)指在標(biāo)尺上何處？
（2）此時標(biāo)尺和底托所受的浮力是多少牛頓？
（3）此裝置最多還能計時幾小時？
（4）若要使此裝置的計時總時間增加一倍，最簡單的辦法是什么？簡要說明理由．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)每分鐘滴水50滴，每50滴水的體積為25.0cm³．計算經(jīng)過3小時后容器A增加的水的體積，然后根據(jù)h=

△V

s

求出液面升高的高度即為箭頭D應(yīng)指在標(biāo)尺上的位置；
（2）標(biāo)尺和底托是處于漂浮狀態(tài)的，根據(jù)漂浮的條件可知所受的浮力與重力相等，所以根據(jù)G=mg=ρVg求出標(biāo)尺和底托的重力即可；
（3）根據(jù)輕質(zhì)標(biāo)尺的總長度和容器A的底面積求出計時增加的水的體積，然后根據(jù)每分鐘滴水50滴，每50滴水的體積為25.0cm³求出此裝置最多能計時的時間；
（4）因為輕質(zhì)塑料標(biāo)尺總長度不變，每分鐘滴水增加的水的體積不變，所以根據(jù)t_max=

△Vmax

V0′

=

△hs

V0′

分析即可．

解答：解：（1）∵每分鐘滴水50滴，每50滴水的體積為25.0cm³．
∴經(jīng)過3小時后容器A增加的水的體積為：△V=25.0cm³/min×3×60min=4500cm³=4.5×10^-3m³．
∴液面升高的高度h=

△V

s

4500cm3

250cm2

=18cm，即箭頭D應(yīng)指在標(biāo)尺上的18cm位置；
（2）∵標(biāo)尺和底托是處于漂浮狀態(tài)的，
∴根據(jù)漂浮的條件可知：
F_浮=G_底托=m_底托g=ρ_塑料V_底托g=ρ_塑料（L_底托）³g=0.5×10³kg/m³×（0.1m）³×9.8N/kg=4.9N；
（3）此裝置最多能增加的水的體積為：△V_max=250cm²×60cm=15000cm³，
根據(jù)每分鐘滴水50滴，每50滴水的體積為25.0cm³可知：
此裝置最多能計時的時間為t_max=

△Vmax

V0′

=

15000cm3

25cm3/min

=600min=10h，
所以此裝置最多還能計時為△t=t_max-t=10h-3h=7h；
（4）根據(jù)t_max=

△Vmax

V0′

=

△hs

V0′

分析可知：此裝置的計時總時間要增加一倍，則應(yīng)將容器A的底面積增加為原來的二倍．

點評：本題考查物體的浮沉條件和浮力的計算，關(guān)鍵是明確滴水計時器的原理．