题目内容

11.如图所示,内有a、b两个光滑活塞的圆柱形金属容器,其底面固定在水平地板上,活塞将容器分为A、B两部分,两部分中均盛有温度相同的同种理想气体,平衡时,A、B气体柱的高度分别为hA=10cm,hB=20cm,两活塞的重力均忽略不计,活塞的横截面积S=1.0×10-3m2.现用竖直向上的力F拉活塞a,使其缓慢地向上移动△h=3.0cm时,活塞a、b均恰好处于静止状态,环境温度保持不变,外界大气压强为p0=1.0×105Pa,求:
(1)活塞a向上移动3.0cm的过程中,活塞b移动的距离;
(2)在F作用下活塞a、b恰好处于静止时拉力F的大小.

分析 (1)活塞a向上移动的过程中,AB两气柱均为等温变化,分别对这两气柱进行状态参量的分析,由波意尔定律即可得知活塞b移动的距离.
(2)通过第第一问的解答可得知活塞移动后被封闭气体的压强,以a为研究对象,进行受力分析,由力的平衡列式即可得知活塞a、b恰好处于静止时拉力F的大小

解答 解:(1)由于活塞B的质量不计,所以A、B两部分气体的压强总是相等的,设一开始两者的压强均为p0,提升A活塞后压强均变为p,此时A、B两部分气体的高度分别为${h}_{A}^{′}$,${h}_{B}^{′}$.
对A气体,由波意尔定律有:p0hA=$p{h}_{A}^{′}$
对B气体,由波意尔定律有:${p}_{0}{h}_{B}=p{h}_{B}^{′}$
hA+hB+△h=${h}_{A}^{′}+{h}_{B}^{′}$${h}_{B}^{′}$
联立并代入数据解得:${h}_{B}^{′}$=2.0cm
p=$\frac{10}{11}$×105Pa
(2)由于活塞a处于平衡状态,所以有:
F+pS=p0S
代入数据解得:F=9.1N
答:(1)活塞a向上移动3.0cm的过程中,活塞b移动的距离为2.0cm;
(2)在F作用下活塞a、b恰好处于静止时拉力F的大小为9.1N.

点评 考察理想气体状态变化方程,找出初末状态的状态参量,列理想气体状态变化方程即可,注意弄清“隔热”“绝热”“导热”等的含义.在关于力的计算方面,要注意对研究对象的选取,往往选取受力个数较少的物体.

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