题目内容

【题目】潜水钟是一种水下救生设备,它是一个底部开口、上部封闭的容器,外形与钟相似。潜水钟在水下时其内部上方空间里存有空气,以满足潜水员水下避险的需要。为计算方便,将潜水钟简化为截面积为S、高度为h、开口向下的圆筒;工作母船将潜水钟由水面上方开口向下吊放至深度为H的水下,如图所示。已知水的密度为ρ,重力加速度大小为g,大气压强为p0,Hh,忽略温度的变化和水密度随深度的变化。

(1)求进入圆筒内水的高度l;

(2)保持H不变,压入空气使筒内的水全部排出,求压入的空气在其压强为p0时的体积。

【答案】(1);(2)

【解析】

(1)设潜水钟在水面上方时和放入水下后筒内气体的体积分别为V0和V1,放入水下后筒内气体的压强为p1,由玻意耳定律和题给条件有

p1V1= p0V0 ①

V0=hS ②

V1=(h–l)S ③

p1= p0+ ρg(H–l) ④

联立以上各式并考虑到Hh,h >l,解得

⑤

(2)设水全部排出后筒内气体的压强为p2;此时筒内气体的体积为V0,这些气体在其压强为p0时的体积为V3,由玻意耳定律有

p2V0= p0V3 ⑥

其中

p2= p0+ ρgH ⑦

设需压入筒内的气体体积为V,依题意

V = V3–V0 ⑧

联立②⑥⑦⑧式得

⑨

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