结构推理
一个一端封闭的薄壁圆柱形浮沉子,开口端向下插入密度为的液体中,被封入的少量气体使施加了外压强的浮沉子悬浮在水中,这时其闭端恰好与水面相平.现突然将外压强增加到,试证浮沉子下沉深度x与它在该处的运动速度的关系为
不计任何粘性阻力,空气密度与相比也可予忽略,空气可看作理想气体,浮沉子的高度和由外压强所折合的水柱高度相比非常小.
【正确答案】解如图所示,设浮沉子的质量为m,浮沉子在水深x处的空气体积为V(x),浮沉子的重力与浮力平衡,因而有
(1)
另外,由于浮沉子的身高很小,浮沉子内的水面和浮沉子顶(即闭端)之间的距离更小,由这一距离产生的液体的静压强可以忽略,我们可以把浮沉子闭端处的压强近似看作为浮沉子内气体的压强.现在对外压强为和这两种状态下的气体应用玻意耳定律,有
下面分析浮沉子的受力情况.开始时受力是平衡的,当浮沉子下沉到x处时,由于气体体积减少,浮力减小,合力不为零.按照牛顿第二定律有
(3)
由(1)求得m,由(2)式求得V(x)后都代入到(3)式,可以得到
(4)
(4)式两边都乘以,则
(5)
(5)式两边都乘以dt后积分,可以得到
【答案解析】