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    关于气体压强计算之我见

    发布人:superadmin     发布部门:     发布时间:2006-06-06 13:56:48      点击率:10164 【打印文章】

           气体的温度、体积、压强称为气体的状态参量,其中压强的计算是中学物理气体第一章的教学重点的难点,它是应用气体实验定律或状态方程解决问题的关键,所以必须要求学生学会根据气体的外部条件计算气体的压强。中学阶段我们遇到比较多的是计算液柱或活塞封闭的气体的压强。这类气体的压强可以简单地总结为由以下三种方法进行计算即连通器原理、力学平衡条件、牛顿第二定律。(以下问题中,我们认为容器内的气体压强处处相等,因为实际容器的高度不太大,由气体重力而引起的容器内高处和低处气体的压强,差别很小,我们可忽略不计。)

            一、连通器原理——U形管内被同一种液体连通的同一水平面上的压强处处相等

            这种方法适用于U形管内被封闭气体的压强的计算

            例一:试求如图1甲、乙、丙、丁中各封闭气体的压强。(已知大气压强为P0,液体密度为ρ,其他条件标于图上,且均处于静止状态)。

            解:甲图取试管内最低液面为等压面,则P1=P0+ρgh

            乙图取封闭端液面为等压面,则P2+ρgh=P0,所以P2=P0-ρgh

            丙图取开口端最低液面为等压面,则P3=P0+ρgh1

            丁图取开口端最低液面为等压面,则P5+ρgh2=P4,其中P4=P0+ρgh1所以P5=P0+ρg(h1-h2

            说明:应用连通器原理求压强,关键在于取好等压面,等压面上的压强处处相等。再找等压面上压强产生的因素,利用大气压强和液体压强的计算公式进行计算。

            二、力学平衡条件——受力平衡条件∑F=0

            这种方法适用于被一段液柱或活塞封闭的气体压强计算,它通过分析液柱或活塞的受力情况,结合它们的平衡状态,应用于平衡方程∑F=0来求解。

            例二:试求如图2甲、乙、丙、丁中各封闭气体的压强。(已知大气压强为P0,液体密度为ρ,其他条件标于图上,且均处于静止状态。)

            解:以下各图中设试管的横截面积为S。

            甲图取液柱h为研究对象,液柱受向下的重力、向下的大气压力和向上的气体压力作用,三力平衡。所以有P0S+ρhSg=P1S,所以P1=P0+ρhg

            乙图取液柱为研究对象,液柱受向下的重力,斜向上的大气压力,斜向下的气体压力和试管壁的支持力作用,四力平衡。分解重力垂直于试管壁和平行于试管壁,则平行于试管壁方向合力为零,所以有

            ρhSgsinα+P2S=P0S,所以P2=P0-ρhgsinα

            丙图取液柱h1为研究对象,液柱h1受向下的重力、向下的气体3的压力和向上的气体4的压力,三力平衡,所以有:

            P3S+ρh1Sg=P4S            (1)

            取液柱h2为研究对象,液柱h2受向下的重力、向下的气体4的压力和向上的大气压力,三力平衡,所以有:P4S+ρh2Sg=P0S      (2)

            由(2)式得       P4=P0-ρh2g

            (1)、(2)式联立得    P3=P0-ρg(h1+h2

            丁图取液柱h2为研究对象,液柱h2受向下的重力、向下的气体6的压力和向上的大气压力,三力平衡,所以有

            P6S+ρh2Sg=P0S                     (1)

            取开口端气体6上方的液面为等压面,则

            P6+ρh1g=P                         (2)

            由(1)式得     P6-P0=ρh2g

            (1)、(2)联立得    P5-P0=ρg(h1-h2

            说明:对于液柱封闭的气体用力学平衡方法求气体压强不是绝对的也不是孤立的,有些情况下用连通器原理求解也很方便,有进也可以与连通器原理联合应用。

            例三:试求如图3甲、乙、丙、丁中各封闭气体的压强。(已知大气压强为P0,汽缸的质量为M,活塞的质量m,面积为S。系统均处于静止状态)。

            解:甲图取活塞为研究对象,在水平方向上活塞受向右的大气压力和向左的气体压力,二力平衡(只须考试水平方向的受力),所以有P1S=P0S,所以P1=P0

            乙图取活塞为研究对象,活塞受向下的重力,向下的大气压力和向上的气体压力,三力平衡,所以有P0S+mg=P2,解得P2=P0+mg/S。

            丙图取活塞,汽缸系统为研究对象,系统受向下的重力和向上的拉力作用,二力平衡,所以有

            F=(M+m)g                   (1)

            取活塞为研究对象,活塞受向下的重力、向下的大气压力、向上的拉力和向上的气体压力,四力平衡,所以有

            F+P3S=P0S+mg                 (2)

            取立(1)、(2)得   P3=P0-Mg/S

            丁图取汽缸、活塞系统为研究对象,系统受向下的重力和杆的向上的支持力,二力平衡,所以有

            F=(M+m)g                      (1)

            取活塞为研究对象,活塞受向下的重力、向下的气体压力、向上的大气压力和杆的向上的支持力,四力平衡,所以有

            P4S+mg=P0S+F                    (2)

            联立(1)、(2)得   P4=P0+Mg/S

            说明:通过本题的解答可以使学生学会通过分析跟气体接触的固体的受力,建立平衡方程求解气体压强概念。

            三、应用牛顿第二定律——∑F=ma求解

            被一段液柱或活塞封闭的气体系统处于加速运动状态时,可以通过分析液柱或活塞的受力情况,结合它们的加速运动情况,应用牛顿第二定律——∑F=ma求解。

            例四:如图4所示,均匀玻璃管内长为L的液柱封一段气体。现将玻璃管平放在小车的水平面上,玻璃管、液柱与小车一起向右作加速度为a的加速运动,已知液体的密度为ρ,大气压强为P0,求被封闭的气体压强。

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