【变式2】(2025·山东青岛期末)在科技节上,某同学用传感器设计了如图甲所示的力学装置,竖直细杆B的下端通过力传感器固定在柱形容器的底部,它的上端与不吸水的实心长方体A固定(不计细杆B及连接处的质量和体积)。力传感器可以显示出细杆B的下端所受作用力的大小,现缓慢地向容器中加水,力传感器的示数大小F随水深h₁变化的图像如图乙所示。(g取10N/kg,ρ₁=1.0×10³kg/m³)

请先画出必要的受力分析图再求解。求:
(1)长方体A的质量;
(2)长方体A的密度;
(3)力传感器的示数大小为0时,水对容器底的压强是多少?
答案:(1)0.72kg (2)0.6×10³kg/m³ (3)1.1×10³Pa 解析:(1)当水深小于等于5cm时,力传感器的示数大小保持7.2N不变,说明细杆受到A的压力为7.2N,根据物体间力的作用是相互的可知,A受到杆对其的支持力为7.2N,此时对A受力分析如下:
即A受到重力和杆对其的支持力的作用,二力平衡,则有G = F₁ = 7.2N,长方体A的质量mA = G / g = 7.2N / 10N/kg = 0.72kg。(2)当水深大于5cm时,A受到竖直向上的浮力作用,刚开始时,A排开水的体积小,受到的浮力小,A受到杆对其向上的支持力作用,受力分析如下:
当A受到的浮力等于重力时,此时杆对A没有力的作用,在图乙中表示为图像与横轴的交点,对A受力分析如下:
当A刚好浸没时,此时A受到杆对其向下的拉力、重力以及浮力作用,受力分析如下:
结合图乙信息和物体间力的作用是相互的可知,F₂ = 4.8N,此时有G + F₂ = F浮₂,则浸没在水中的A受到的浮力为F浮₂ = 7.2N + 4.8N = 12N,此时A排开水的体积等于A的体积,根据阿基米德原理可得,A的体积VA = V排 = F浮₂ / (ρ水g) = 12N / (1.0×10³kg/m³×10N/kg) = 1.2×10⁻³m³,根据ρ = m / V可得,长方体A的密度ρA = mA / VA = 0.72kg / 1.2×10⁻³m³ = 0.6×10³kg/m³。(3)结合(2)中分析和图乙信息可知,从A刚触水面到刚好浸没在水中,水位的变化量等于A的高,所以A的高hA = 15cm - 5cm = 10cm,则A的底面积SA = VA / hA = 1.2×10⁻³m³ / (10×10⁻²m) = 1.2×10⁻²m²,根据图乙信息可知,细杆的高度l杆 = 5cm;由(2)分析可知,当A受到的浮力等于重力时,此时杆对A没有力的作用,即力传感器的示数大小为0,此时A受到的浮力F浮₁ = G = 7.2N,此时A排开水的体积V排₁ = F浮₁ / (ρ水g) = 7.2N / (1.0×10³kg/m³×10N/kg) = 7.2×10⁻⁴m³,此时A浸入水中的深度h浸 = V排₁ / SA = 7.2×10⁻⁴m³ / 1.2×10⁻²m² = 6×10⁻²m = 6cm,此时水的深度h水 = h浸 + l杆 = 6cm + 5cm = 11cm = 0.11m,根据p = ρ液gh可得,水对容器底的压强p = ρ水gh水 = 1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.11m = 1.1×10³Pa。