题目内容

20.在水下气泡内空气的压强大于气泡表面外侧水的压强,两压强差△p与气泡半径r之间的关系为△p=$\frac{2σ}{r}$,其中σ=0.070N/m.现让水下10m处一半径为0.50cm的气泡缓慢上升,已知大气压强p0=1.0×105Pa,水的密度ρ=1.0×103kg/m3,重力加速度大小g=10m/s2.
(i)求在水下10m处气泡内外的压强差;
(ii)忽略水温随水深的变化,在气泡上升到十分接近水面时,求气泡的半径与其原来半径之比的近似值.

分析 (1)根据题给公式△p=$\frac{2σ}{r}$算在水下10m处气泡内外的压强差;
(2)先确定初末状态的p、V,根据玻意耳定律列方程,忽略很小量,求出气泡的半径与其原来半径之比的近似值

解答 解:(i)当气泡在水下h=10m处时,设其半径为${r}_{1}^{\;}$,气泡内外压强差为$△{p}_{1}^{\;}$,则
$△{p}_{1}^{\;}=\frac{2σ}{{r}_{1}^{\;}}$①
代入题给数据得$△{p}_{1}^{\;}=28{p}_{a}^{\;}$②
(ii)设气泡在水下10m处时,气泡内空气的压强为${p}_{1}^{\;}$,气泡体积为${V}_{1}^{\;}$;气泡到达水面附近时,气泡内空气的压强为${p}_{2}^{\;}$,内外压强差为$△{p}_{2}^{\;}$,其体积为${V}_{2}^{\;}$,半径为${r}_{2}^{\;}$.
气泡上升过程中温度不变,根据玻意耳定律有
${p}_{1}^{\;}{V}_{1}^{\;}={p}_{2}^{\;}{V}_{2}^{\;}$③
由力学平衡条件有
${p}_{1}^{\;}={p}_{0}^{\;}+ρgh+△{p}_{1}^{\;}$④
${p}_{2}^{\;}={p}_{0}^{\;}+△{p}_{2}^{\;}$⑤
气泡体积${V}_{1}^{\;}$和${V}_{2}^{\;}$分别为
${V}_{1}^{\;}=\frac{4}{3}π{r}_{1}^{3}$⑥
${V}_{2}^{\;}=\frac{4}{3}π{r}_{2}^{3}$⑦
联立③④⑤⑥⑦式得
$(\frac{{r}_{1}^{\;}}{{r}_{2}^{\;}})_{\;}^{3}=\frac{{p}_{0}^{\;}+△{p}_{2}^{\;}}{ρgh+{p}_{0}^{\;}+△{p}_{1}^{\;}}$⑧
由$△{p}_{i}^{\;}<<{p}_{0}^{\;},i=1,2$,故可略去⑧式中的$△{p}_{i}^{\;}$项,代入题给数据得
$\frac{{r}_{2}^{\;}}{{r}_{1}^{\;}}=\root{3}{2}≈1.3$
答:(i)在水下10m处气泡内外的压强差28Pa;
(ii)忽略水温随水深的变化,在气泡上升到十分接近水面时,气泡的半径与其原来半径之比的近似值1.3

点评 本题题型新颖,有创意,考查了考生获取新知的能力,对玻意耳定律考查有了创新,平时复习要注重多训练,在高考中才能灵活应用.

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