人教版高中物理选修3 |
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解析: 求 pA:取液柱 h1 为研究对象,设管截面积为 S,大气压力和液柱重力向下, A 气 体压力向上,液柱 h1 静止,如图(a),则 p0S+ρgh1S=pAS, 所以 pA=p0+ρgh1。 求 pB:取液柱 h2 为研究对象,由于 h2 的下端是连通器, A 气体压强由液体传递后对 h2 的压力向上, B 气体压力、液柱 h2重力向下,液柱平衡如图(b), 则 pBS+ρgh2S=pAS, 所以 pB=p0+ρgh1-ρgh2。 熟练后,可直接由压强平衡关系写出待测压强,不一定非要从力的平衡方程式找起。 答案: pA=p0+ρgh1 pB=p0+ρgh1-ρgh2 2. 固体(活塞或汽缸)封闭的气体的压强 由于该固体必定受到被封闭气体的压力,所以可通过对该固体进行受力分析,然后由平 衡条件(a=0 时)或牛顿第二定律(a≠0 时)建立方程,求出封闭气体的压强。 【例题 2】 一圆形汽缸静置于地面上,如图所示,汽缸的质量为 m1,活塞的质量为 m2, 活塞面积为 S,大气压强为 p0,现将活塞缓慢上提,求汽缸刚离开地面时汽缸内气体的压强。 (忽略摩擦) 解析: 此问题中的活塞和汽缸均处于平衡状态。以活塞为研究对象,受力分析如图甲所 示,由平衡条件得: F+pS=m2g+p0S 由于 F 未知,再以活塞和汽缸整体为研究对象,受力如图乙(由于外界大气压力相互抵消, 不再画出),则有 F=(m1+m2)g 由以上两式可求得 p=p0- m g 1 S 。 也可只以汽缸为研究对象,有: pS+m1g=p0S,也可得: p=p0- m g 1 S 。 答案: p0- m g 1 S 专题二 液柱(或活塞)的移动问题 用液柱或活塞隔开两部分气体,当气体温度变化时,液柱或活塞是否移动?如何移动? 此类问题的特点是:气体的状态参量 p、 V、 T 都发生了变化,直接判断液柱或活塞的移动方 向比较困难,通常先进行气体状态的假设,然后应用查理定律可以简单地求解。 1. 假设推理法 根据题设条件,假设发生某种特殊的物理现象或物理过程,运用相应的物理规律及有关 知识进行严谨的推理,得出正确的答案。巧用假设推理法可以化繁为简,化难为易,简捷解 题。其一般分析思路是: (1)先假设液柱(或活塞)不发生移动,两部分气体均做等容变化。 (2)对两部分气体分别应用查理定律的分比形式 Δp= T T p,求出每部分气体压强的变化 量 Δp,并加以比较。 (3)如果液柱(或活塞)两端的横截面积相等,且 Δp 均大于零,意味着两部分气体的压强均 增大,则液柱向 Δp 值较小的一方移动;若 Δp 均小于零,意味着两部分气体的压强均减小, 则液柱向压强减小量较大的一方(即|Δp|较大的一方)移动;若 Δp 相等,则液柱不移动。 (4)如果液柱(或活塞)两端的横截面积不相等,则应考虑液柱两端的受力变化(ΔpS)。若 Δp 均大于零,则液柱向 ΔpS 较小的一方移动;若 Δp 均小于零,则液柱向|ΔpS|值较大的一方移 动;若 ΔpS 相等,则液柱不移动。 2. 极限法 所谓极限法就是将问题推向极端。如在讨论压强大小变化时,将变化较大的压强推向无 穷大,而将变化较小的压强推向零,这样使复杂的问题变得简单明了。 如图所示,两端封闭、粗细均匀、竖直放置的玻璃管内有一段长为 h 的水银柱,将管内 气体分为两部分。已知 l2=2l1,若使两部分气体同时升高相同的温度,管内水银柱将如何运 动? (设原来温度相同) 根据极限法:由于管上段气柱压强 p2 较下段气柱压强 p1小,设想 p2→0,即管上部认为 近似为真空,于是立即得到,温度 T 升高,水银柱向上移动。 3. 图象法 利用图象:首先在同一 pT 图线上画出两段气柱的等容图线,如图所示。由于两气柱在 相同温度下压强不同,所以它们等容线的斜率也不同,气柱的压强较大的等容线的斜率也较 大。从图中可以看出,当两气柱升高相同温度 ΔT 时,其压强的增量 Δp1>Δp2,所以水银柱 向压强增量小的一端移动,对上面的水银柱问题用图象法分析,很容易得出水银向上移动的 结果。 【例题 3】 如图甲所示,容器 A 和 B 分别盛有氢气和氧气,用一段水平细玻璃管连通, 管内有一段水银柱将两种气体隔开。当氢气的温度为 0 ℃、氧气温度为 20 ℃时,水银柱保持 静止。判断下列情况下,水银柱将怎样移动? (1)两气体均升高 20 ℃; (2)氢气升高 10 ℃,氧气升高 20 ℃; (3)若初状态如图乙所示且气体初温相同,则当两气体均降低 10 ℃时,水银柱怎样移动? 解析: (1)ΔpA= 20 273 p>0, ΔpB= 20 293 p>0 因为 ΔpA>ΔpB,故水银柱向 B 容器一方移动。 (2)ΔpA= 10 273 p>0, ΔpB= 20 293 p>0 因为 ΔpA |
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