Question

选修3-3模块如图所示，一个上下都与大气相通的直圆筒，中间用两个活塞A与B封住一定质量的理想气体，A，B都可沿圆筒无摩擦地上、下滑动，但不漏气．A的质量可不计，B的质量为M，并与一劲度系数k=5×10³N/m的较长的弹簧相连，已知大气压强p=1×10⁵Pa，活塞的横截面积s=0.01m²．平衡时，两活塞问的距离l=0.6m，现用力压A，使之缓慢向下移动一定距离后，保持平衡，此时，用于压A的力F=5×10²N，求活塞A向下移动的距离．（假定气体温度保持不变）

Answer 1

【答案】分析：由于A的质量可不计，初态时，封闭气体的压强等于大气压，以B为研究对象，求出弹簧的压缩量．当用力压A时，再以B为研究对象，求出弹簧的弹力，由胡克定律求出弹簧的压缩量，根据玻意耳定律求出活塞A向下移动的距离．
解答：解：设活塞A向下移动l，相应B向下移动x，对气体分析：
初态：p₁=p             V₁=lS
末态：p₂=p+         V₂=（l-1+x）S
由玻-意耳定律：p₁V₁=p₂V₂
因为两活塞间的距离原来为l，活塞A向下移动l，相应B向下移动x，则末状态时，两活塞的距离为l-l+x．
得：p₁lS=（p+）（l-1+x ）S…①
初态时，弹簧被压缩量为x'，由胡克定律：Mg=kx'…②
当活塞A受到压力F时，活塞B的受力情况如图所示．F'为此时弹簧弹力
由平衡条件可知pS+F'=pS+F+Mg…③
由胡克定律有：F'=k（x+x'）…④
联立①②③④解得：l=0.3m．
答：活塞A向下移动的距离为0.3m．
点评：本题考查了玻意耳定律与力学知识的综合，有一定难度．关键搞清初末状态，运用力学平衡和玻意耳定律综合求解．