中考物理难题解析，学霸分享系列：物理综合题解题思路及解题方法

某单位设计的一种供牲畜饮水的装置如图所示.圆柱形水箱内装有600 kg的水，水位高度维持h＝60 cm不变，水箱底面积为1 m²，水箱底部出水口的横截面积为20 cm².底盖A、细杆B和浮球C的总质量为1 kg，浮球C的体积为2 dm³.底盖A平时顶住水箱底部出水口，一旦饮水槽的水位下降，底盖A就会下落，水立即通过出水口流入饮水槽.实现自动补水.

(1)水箱中的水对底盖A产生的压强是多少？

(2)浮球C受到的最大浮力是多少？(g取10 N/kg)

(3)试通过计算说明，给出的数据能否达到设计要求？如果不能，请通过计算提供改进的方法和符合设计要求的数据.

1、分析装置的工作原理

根据液体压强的原理，深度相同处的液体压强相等，水箱下部的连通器可以实现三个容器的水位高度相等。

一旦饮水槽的水位下降，则与水箱相连的容器水位也要下降，则浮球浸没在水中的体积会减小，根据浮力的计算公式：F=ρ液gV排，V排减小，则浮力也减小。

把底盖、细杆和浮球作为一个整体进行受力分析，受到竖直向下的重力、水箱中水的压力和竖直向上的浮力作用。在水位正好的情况下，重力与压力之和等于浮力，一旦浮力减小，则失去平衡，在压力的作用下，水箱底盖下落，水从水箱流出，进入下方容器。

在连通器原理的作用下，水箱下方容器的水位上升，则饮水槽的水位同时上升。随着连通器中的水位上升，浮球浸没于水中的体积增大，受到的浮力增大，等浮球全部浸没于水中，系统达到平衡，底盖再次把水箱盖紧，水箱中的水不再流出。

2、利用公式计算液体压强

由题目中的条件：h=60cm=0.6m（注意统一单位），ρ=1×10³千克/m³，g=10 N/kg，根据液体压强的计算公式得：水箱中的水对底盖产生的压强P=ρgh =6×10³Pa。

3、利用公式计算最大浮力

根据浮力的计算公式：F=ρ液gV排，可知：当浮球C全部浸没在水中，受到的浮力最大，此时的V排就是浮球C的体积2 dm³ =2×10^－3 m³ ，代入浮力的计算公式，得最大浮力F=20N。

4、根据平衡条件判定系统的合理性

把底盖、细杆和浮球作为一个整体，在竖直方向上，受到竖直向下的重力、水箱中水的压力和竖直向上的浮球浮力。

如果向下的力与向上的力相等，则系统可以达到平衡状态；如果浮球的浮力达到最大值，依然不能与向下的力相等，则系统始终无法达到平衡状态。

所以，判断装置的数据是否达到设计要求就是浮球所受的浮力达到最大值能否等于水箱中水的压力与整体重力的和。

根据题目中的条件：底盖的受压面积s=20 cm² =20×10^－4 m² ；

根据2的结论，水箱中的水对底盖产生的压强P=6×10³Pa；

根据压力的计算公式，水箱中的水对底盖的压力F=PS=12N；

由题目中的条件，底盖、细杆、浮球的质量m=1 kg，则根据重力的计算公式G=mg=10N；

根据以上推论得：F+G=22N>20N（浮球C所受的最大浮力），所以装置的数据没有达到设计的要求。

合理的设计要求就是F+G=20N，即F=20-G=10N；

根据压力的计算公式：F=PS，得到P=F/S；

根据液体压强的计算公式：P=ρgh，得到h=P/（ρg）=F/（Sρg）=0.5m。

所以，达到合理设计要求的装置数据就是水箱中水位的高度为0.5m

对于物理综合题，掌握解题思路、灵活运用解题的方法、沉着冷静的分析才是在考试中制胜的必要条件，避免在考试中失分。