题目内容
【题目】如图所示,在倾角为30°足够长的光滑斜面上有一长为l=100 cm、开口向上的薄壁玻璃管,用长为l1=50 cm的水银柱封闭一段空气柱。当玻璃管保持静止时,空气柱长为l2=12.5 cm。已知玻璃管的横截面积S=1 cm2,大气压强p0=75 cmHg,水银的密度ρ=13.6×103 kg/m3,玻璃管的质量与水银柱的质量相等,g取10 m/s2。
①若将玻璃管开口向下放置于斜面,且仍使其保持静止状态,求管内空气柱长度;
②在①问情形下,用沿斜面向上的恒力F拉玻璃管使其向上做匀加速直线运动,为了使水银柱不从管口溢出,求F的大小应满足的条件。
【答案】(1) 25 cm (2) 6.8 N<F≤13.6 N
【解析】①以管内气体为研究对象,管开口向上放置时气体压强:p1=p0+l1sin30°=100cmHg
管开口向下放置时气体压强:p2=p0-l1sin30°=50cmHg
设空气柱长为l3,此过程气体发生等温变化,由玻意耳定律得p1V1=p2V2
即p1l2S=p2l3S,
代入数据解得l3=25cm
②设管内水银柱的质量为m,则m=ρl1S=0.68kg
玻璃管整体能向上加速,则F>2mgsin30°=6.8N
当水银柱下端到玻璃管口时,整体加速度最大,F也最大,此时,管内空气柱的长度为l4=50cm。
设管内气压为p3,由玻意耳定律得:p2V2=p3V3
代入数据解得p3=25 cmHg
取水银柱为研究对象,由牛顿第二定律得:p0S-p3S-mgsin30°=ma
取玻璃管和水银柱整体为研究对象,由牛顿第二定律得:F-2mgsin30°=2ma
联立以上式子解得:F=2(p0-p3)S=13.6 N
综合以上得:6.8 N<F≤13.6 N。
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