某工厂设计了一个蓄水池（如图所示），水源A罐的夜面高度h1保持不变．罐底有一个小出水口，面积为S1．孔下通过一个截面积为S2活塞与杠杆BC相连．杠杆可绕B端上下转动，另一端有一个中

Question

某工厂设计了一个蓄水池（如图所示），水源A罐的夜面高度h₁保持不变．罐底有一个小出水口，面积为S₁．孔下通过一个截面积为S₂活塞与杠杆BC相连．杠杆可绕B端上下转动，另一端有一个中空的圆柱形浮子，横截面积为S₃，BO是杠杆总长的(1)/(3)．原设计打算当杠杆水平时，浮子浸入水深为h₂，活塞恰好能赌住出水口，但在使用时发现，活塞离出水口尚有极小一段距离时，浮子便不再上浮，此时浮子没入水深为h₃．为了使活塞自动堵住出水口，只得将浮子的重量减去G′．试求浮子应减去重量G′的大小．（活塞及连杆的重量不计，杠杆所受浮力不记．）

Answer 1

设浮子原来重力为G，杠杆长为l．浮子减重后，重为G′，由倾斜变为水平，如图所示，杠杆C端上升高度为EC=h₃-h₂，活塞上升的高度△h即为OD的长度，△h=(h3−h2)/(3)．
    
根据数学知识，三角形BDO相似于三角形BEC，
所以：(DO)/(EC)=(BO)/(BC)=(BD)/(BE)
因为BO是杠杆总长(1)/(3)，
所以：(DO)/(EC)=(BO)/(BC)=(BD)/(BE)=(1)/(3)，
（2）活塞减重前，杠杆平衡时，支点为B，
以浮子为研究对象，C端受到的合力为F_浮-G=（S₃h₃ρ_水g-G），该力的力臂BE，
O点受到的力为F_压=ρ_水gS₂（h₁+△h），该力的力臂设为BD，
根据杠杆平衡条件可得：（F_浮-G）BE=F_压BD，
即：（S₃h₃ρ_水g-G）BE=ρ_水gS₂（h₁+△h）BD，(BD)/(BE)=(1)/(3)，
可得：3（S₃h₃ρ_水g-G）=ρ_水gS₂（h₁+△h），
G=S₃h₃ρ_水g-(1)/(3)ρ_水gS₂（h₁+(h3−h2)/(3)），-------------①
浮子减重后，杠杆平衡时，以杠杆为研究对象，进行受力分析：

C端受到的合力为：
F′_浮-G′=S₃h₂ρ_水g-G′，此力的力臂为BC，
（对浮子C受力分析：重力、浮力、杠杆的力，则杠杆施加的力等于浮力减去重力，根据力的作用是相互的，所以杠杆受到的力等于浮力减去重力）
O点受到的力为F´_压=ρ_水gS₂h₁，此力的力臂为BO．
根据杠杆平衡有：（S₃h₂ρ_水g-G′）BC=ρ_水gS₂h₁ BO，
即为：3〔S₃h₂ρ_水g-G′〕=ρ_水gS₂h₁，
G′=S₃h₂ρ_水g-(1)/(3)ρ_水gS₂h₁-----------②
①-②得浮子应减去重量G′的大小：
△G=S₃h₃ρ_水g-(1)/(3)ρ_水gS₂（h₁+(h3−h2)/(3)）-（S₃h₂ρ_水g-(1)/(3)ρ_水gS₂h₁）
=ρ_水g（h₃-h₂）（S₃-(1)/(9)S₂）
答：浮子应减去重量G′的大小为ρ_水g（h₃-h₂）（S₃-

作业搜用户 2017-09-24