结构推理 一个由竖直的细管和水平的粗管如图所示那样连在一起的装置,浸入一个密度为的液体中,外部大气的密度和压强分别为和,水平管的另一端被封闭,随后使装置如图所示以恒定角速度旋转,可把空气处处看作固定温度下的理想气体,忽略空气密度随高度的变化,忽略毛细现象和表面摩擦.求液体在竖直管中上升的高度h(准确到项).
【正确答案】解在水平管中由于装置的转动空气的压强p和密度,是不均匀的,用转动参考系,水平管中的空气处于平衡状态.设水平管的截面积为S,考虑离轴段空气,在x方向受到的合力为零, (1) 由理想气体的状态方程 其中m和V分别是气体的质量和体积,M为气体的摩尔质量,T为绝对温度,R为普适气体常数, (2) 用式(2)消去式(1)中的,可得 积分上式,得 其中是管中处的空气压强, (3) 由式(2),因为M,R,T均为常量(其中T因各处温度相同,故在此为常量), 因此与有类似的关系 (4) 其中是管中处的空气密度. 考虑到管中的空气质量在转动前和转动后没有变化,竖直管是细管,其中的空气质量可以不计, (5) 对于适度的值,为小量, (6) 将式(6)代入式(4),再代入式(5),可得 (7) 再次考虑与有类似的关系, 对在竖直管中上升的液体用于衡条件 (8) 将式(7)代入式(8),解出 外部的大气也遵从理想气体的状态方程,也有同样的温度T,由式(2),
【答案解析】