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g10 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:p1p0l1sin30°=100cmHg

管开口向下放置时气体压强:p2p0l1sin30°=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p1V1p2V2

p1l2Sp2l3S

代入数据解得l3=25cm

②设管内水银柱的质量为m,则mρl1S=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:p2V2p3V3

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:p0Sp3Smgsin30°=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(p0p3)S=13.6 N

综合以上得:6.8 N<F≤13.6 N。

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