Question

如圖所示，左端封閉，右端開口的均勻U型管中用水銀封有一段長150mm的空氣柱。左臂總長為250mm，右臂足夠長。如果將管的開口變為豎直向下，求空氣柱的長度。（設大氣壓為750mmHg）

Answer 1

283.3（cm）

【錯解分析】錯解：此題是屬于氣體在等溫情況下壓強和體積的變化的題，可以利用玻意耳定律求解。
初態：p₁=（750+100）=850（mmHg）
V₁=150S（cm³）
設倒轉后左臂空氣柱長度增加x，如圖所示，

則末態：p₂=（750-100-2x）=（650-2x）（mmHg）
V₂=（150+x）S（cm³）
由玻意耳定律有：p₁V₁=p₂V₂
即：850×150S=（650-2x）（150+x）S
整理得：2x²-350x+30000=0
由數學知識可知，當△=b²-4ac=350²-4×2×3000＜0，方程無解。所以，這道題是一道沒有解的題。
在解題時，之所以出現這樣的情況，是因為解題者的思維是勢導致的錯誤，上述解法是從空氣柱仍在左臂的假設出發的，難道空氣就不能進到右臂？顯然，認為空氣柱仍在左臂的假設是需要重新考慮的。
【正解】在左臂原有空氣柱長150mm的情況下，兩管之間的水銀柱的高度差與U型管倒轉后空氣柱是否進入右管有關，高度差越大，水銀越重，倒轉后，空氣柱越有可能進入右管。那么，兩臂水銀面高度差為多大，才能讓空氣柱仍留在左臂呢？
設初始左、右兩臂水銀面高度差為h，倒轉后空氣柱仍在左臂（如圖）則：由玻意耳定律有：

（750+h）×150S=（750-h-2x）（150+x）S
整理得：2x²+（h-450）x+300h=0
當△=b²-4ac≥0時，方程有實數解，即（h-450）²-4×2×300h≥0
解得：h≤62.5mm
也就是說，只有當兩臂水銀面高度差小于或等于62.5mm時，倒轉后空氣柱才可能仍留在左臂。而本文給出開始時水銀面高度差為100mm＞62.5mm，因此，U型管倒轉后空氣柱會進入右臂。
設右臂足夠長，倒轉后，水銀柱已全部進入右臂如圖所示，末狀態變為：V₂=（250+y）S   p₂=（750-30）=450（mmHg）

根據玻意耳定律：
850×150S=450×（250+y）S
解得：y=33.3mm
則空氣柱的長度為：l=（250+33.3）=283.3（cm）。
【點評】對于一道物理習題，應該從每個數值的物理意義去分析問題，而不能只單純從數學運算的角度去制定。