Question

漏刻是我国古代一种用滴水来计量时间的仪器．
如图所示是漏刻的简单模型．图中容器A是底面积为250cm²的圆柱形薄壁玻璃缸，容器顶盖上有大小两个孔；B是用密度为0.5×10³kg/m³塑料制作的边长为10cm立方体底托；C为质量可忽略不计、总长度为60cm的轻质塑料标尺，标尺的一端与底托相连，标尺上均匀的刻有厘米刻度；D为固定于容器盖口处的指示箭头．某次模拟计时实验中，同学们先将自来水龙头调至均匀间隙滴水状态，并测得水龙头每分钟滴水50滴，并用量筒测得每50滴水的体积为25.0cm³．再在容器A中加入适量水，将底托B放入水中，使其浮于水面上，此时标尺C呈竖直状态且位于大孔下方，指示箭头D恰好指于标尺的顶端零刻度处．此时开始滴水计时，假设整个计时过程标尺始终处于竖直状态，经过3小时后，问：
（1）指示箭头D应指在标尺上何处？
（2）此时标尺和底托所受的浮力是多少牛顿？
（3）此装置最多还能计时几小时？
（4）若要使此装置的计时总时间增加一倍，最简单的办法是什么？简要说明理由．

Answer 1

分析：（1）根据每分钟滴水50滴，每50滴水的体积为25.0cm³．计算经过3小时后容器A增加的水的体积，然后根据h=

△V

s

求出液面升高的高度即为箭头D应指在标尺上的位置；
（2）标尺和底托是处于漂浮状态的，根据漂浮的条件可知所受的浮力与重力相等，所以根据G=mg=ρVg求出标尺和底托的重力即可；
（3）根据轻质标尺的总长度和容器A的底面积求出计时增加的水的体积，然后根据每分钟滴水50滴，每50滴水的体积为25.0cm³求出此装置最多能计时的时间；
（4）因为轻质塑料标尺总长度不变，每分钟滴水增加的水的体积不变，所以根据t_max=

△Vmax

V0′

=

△hs

V0′

分析即可．

解答：解：（1）∵每分钟滴水50滴，每50滴水的体积为25.0cm³．
∴经过3小时后容器A增加的水的体积为：△V=25.0cm³/min×3×60min=4500cm³=4.5×10^-3m³．
∴液面升高的高度h=

△V

s

4500cm3

250cm2

=18cm，即箭头D应指在标尺上的18cm位置；
（2）∵标尺和底托是处于漂浮状态的，
∴根据漂浮的条件可知：
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）此装置最多能增加的水的体积为：△V_max=250cm²×60cm=15000cm³，
根据每分钟滴水50滴，每50滴水的体积为25.0cm³可知：
此装置最多能计时的时间为t_max=

△Vmax

V0′

=

15000cm3

25cm3/min

=600min=10h，
所以此装置最多还能计时为△t=t_max-t=10h-3h=7h；
（4）根据t_max=

△Vmax

V0′

=

△hs

V0′

分析可知：此装置的计时总时间要增加一倍，则应将容器A的底面积增加为原来的二倍．

点评：本题考查物体的浮沉条件和浮力的计算，关键是明确滴水计时器的原理．