Question

（2010?長寧區一模）一根兩端開口、粗細均勻的長直玻璃管橫截面積為S=2×10^-3m²，豎直插入水面足夠寬廣的水中．管中有一個質量為m=0.4kg的密閉活塞，封閉一段長度為L₀=66cm的氣體，氣體溫度T₀=300K，如圖所示．開始時，活塞處于靜止狀態，不計活塞與管壁間的摩擦．外界大氣壓強P₀=1.0×10⁵Pa，水的密度ρ=1.0×10³kg/m³．試問：
（1）開始時封閉氣體的壓強多大？
（2）現保持管內封閉氣體溫度不變，用豎直向上的力F緩慢地拉動活塞．當活塞上升到某一位置時停止移動，此時F=6.0N，則這時管內外水面高度差為多少？管內氣柱長度多大？
（3）再將活塞固定住，改變管內氣體的溫度，使管內外水面相平，此時氣體的溫度是多少？

Answer 1

分析：對活塞進行受力分析，運用平衡知識解決問題．
知道液體壓強的公式和應用．
根據氣體狀態方程和已知的變化量去計算其它的物理量．

解答：解：（1）當活塞靜止時，P1=P0+

mg

S

=1.0×105+

0.4×10

2×10-3

=1.02×105(Pa)
（2）當F=6.0N時，有P2=P0+

mg-F

S

=1.0×105+

0.4×10-6.0

2×10-3

=9.9×104(Pa)
P₂=P₀-ρgh
管內外液面的高度差h=

P0-P2

ρg

=

1.0×105-9.9×104

1.0×103×10

=0.1(m)
由玻意耳定律：P₁L₁S=P₂L₂S
空氣柱長度：L2=

P1

P2

L1=

1.02×105

9.9×104

×66=68(cm)
（3）P₃=P₀=1.0×10⁵Pa        L₃=68+10=78cm      T₂=T₁
由氣態方程：

P2L2

T2

=

P3L3

T3

氣體溫度變為：T3=

P3L3

P2L2

T1=

1.0×105×78

9.9×104×68

×300=347.6(K)
答：（1）開始時封閉氣體的壓強是1.02×10⁵ pa．
（2）這時管內外水面高度差為0.1m，管內氣柱長度是68cm．
（3）此時氣體的溫度是347.6k．

點評：能用靜力學觀點確解決問題．
要注意研究過程中哪些量不變，哪些量變化．