Question

15．2014年4月14日，為尋找失聯(lián)的MH370航班，啟用了“藍(lán)鰭金槍魚”（簡(jiǎn)稱“金槍魚”）自主水下航行器進(jìn)行深海搜尋．其外形與潛艇相似（如圖甲所示），相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為：體積1m³、質(zhì)量750kg，最大潛水深度4500m，最大航速7.4km/h（不考慮海水密度變化，海水的密度ρ取1.0×10³kg/m³）．

（1）假設(shè)“金槍魚”上有面積為20cm²的探測(cè)窗口，當(dāng)它在海水中3000m深處時(shí)該探測(cè)窗口承受海水的壓力是多少？
（2）為了完成搜尋任務(wù)，求“金槍魚”艙內(nèi)加水后恰能懸浮在海水中時(shí)所受的浮力為多大？
（3）“金槍魚”搜尋任務(wù)完成后，變?yōu)樽灾貢r(shí)恰能靜止漂浮在海面上，求此時(shí)露出海面體積為多大？
（4）若上述漂浮在海面的“金槍魚”，由起重裝置將其勻速豎直吊離海面．起重裝置拉力的功率隨時(shí)間變化的圖象如圖乙所示，圖中P₃=3P₁．求t₁時(shí)刻“金槍魚”的拉力（不考慮水的阻力）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)p=ρgh求出壓強(qiáng)，再根據(jù)p=$\frac{F}{S}$求出探測(cè)窗口承受海水的壓力；
（2）懸浮時(shí)，浮力等于自身的重力；
（3）漂浮時(shí)，浮力等于重力，根據(jù)F_浮=ρgV_排求出排開水的體積，再求出露出海面的體積；
（4）由圖象可知，在t₃時(shí)刻“金槍魚”離開水面，此時(shí)起重裝置對(duì)“金槍魚”的拉力等于“金槍魚”的重力；
根據(jù)P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv分析出t₁時(shí)刻起重裝置對(duì)“金槍魚”拉力．

解答 解：（1）當(dāng)它下潛至3000m深度處受到海水的壓強(qiáng)：
p=ρgh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×3000m=3×10⁷Pa；
由p=$\frac{F}{S}$得探測(cè)窗口承受海水的壓力：
F=pS=3×10⁷Pa×2×10^-3m²=6×10⁴N；
（2）為了完成搜尋任務(wù)，求“金槍魚”艙內(nèi)加水后恰能懸浮在海水中時(shí)所受的浮力等于自身的重力是，即“金槍魚”搜尋任務(wù)完成后，靜止漂浮在海面上，所以有F_浮=G=mg=750kg×10N/kg=7500N；
（3）由F_浮=ρ_水gV_排得排開水的體積：
V_排=$\frac{{F}_{浮}}{{ρ}_{水}g}$=$\frac{7500N}{1000kg/{m}^{3}×10N/kg}$=0.75m³，
露出海面體積為：V_露=V-V_排=1m³-0.75m³=0.25m³；
（4）由圖象分析知，在t ₃ 時(shí)刻“金槍魚”離開水面，此時(shí)起重裝置對(duì)“金槍魚”的拉力等于“金槍魚”的重力，即F₃=G=7500N；
由于起重裝置吊起“金槍魚”是勻速豎直離海面，所以速度保持不變即v₁=v₃，由P=$\frac{W}{t}$=$\frac{Fs}{t}$=Fv得：
P₁=F₁v₁，P₃=F₃v₃，又P₃=3P₁，所以有F₃=3F₁，
所以F₁=$\frac{1}{3}$F₃=$\frac{1}{3}$×7500N=2500N．
答：（1）探測(cè)窗口承受海水的壓力是6×10⁴N；
（2）“金槍魚”艙內(nèi)加水后恰能懸浮在海水中時(shí)所受的浮力為7500N；
（3）“金槍魚”露出海面的體積為0.25m³；
（4）t₁時(shí)刻起重裝置對(duì)“金槍魚”拉力2500N．

點(diǎn)評(píng) 此題主要考查的是學(xué)生對(duì)壓強(qiáng)、壓力、浮力、功率計(jì)算公式的理解和掌握，能夠讀懂圖象是解決此題的關(guān)鍵，難度較大．