题目内容

【题目】如图所示,一个竖直固定放置、且导热良好的圆筒型气缸内部盛有理想气体。气缸内部横截面积为S=100cm2,深度为L=120cm。气缸上面被一厚度不计的活塞盖住,活塞通过劲度系数为k=200N/m的弹簧与气缸底部相连接。当系统处于静止状态时,活塞到缸底的距离为L1=100cm。现在在活塞中央轻轻放置一个重力为G=300N的物块,活塞下降到距缸底的距离为L2=80cm时刚好静止不动。在不去掉物块的情况下,在活塞上的中点加一个竖直向上的拉力,使活塞缓慢移动到气缸口处。已知气缸周围外界环境温度保持不变,外界大气压强P0=1.0×105Pa,不计摩擦及活塞和弹簧的质量,并假定在整个过程中,气缸不漏气,弹簧遵从胡克定律。试求:活塞到气缸口处时,拉力的大小和弹簧的原长。

【答案】513.3N,0.8m

【解析】

取气体为研究对象,设不放物块时,为状态1,气体压强为1,体积为V1;放上物块静止时,为状态2,气体压强为2,体积为V2;活塞在气缸口处时为状态3,气体压强为3,体积为V3。

在状态1,设弹簧处于伸长状态,伸长量为x1(解出为负值为压缩状态),有

V1=L1S

根据活塞的受力(如图1所示)有

1S=0S+kx1

在状态2,设弹簧处于伸长状态,伸长量为x2(解出为负值为压缩状态),有

V2=L2S

根据活塞的受力(如图2所示)有

2S=0S+kx2+G

在状态3,设弹簧处于伸长状态,伸长量为x3(解出为负值为压缩状态),有

V3=LS

根据活塞的受力(如图3所示)有

3S+F=0S+kx3+G

从状态1到状态2的过程,由理想气体状态方程得

1L1S =2L2S

从状态1到状态3的过程,由理想气体状态方程得

1L1S =3LS

由题意知

x1=x2+(L1L2)

x3=x1+(LL1)

设弹簧原长为L0,有

x1=L1L0

解得活塞到气缸口处时,拉力的大小

F=N≈513.3N

弹簧的原长

L0=0.8m

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