Question

（15分）圓柱形氣缸筒長(zhǎng)2L，截面積為S，缸內(nèi)有活塞，活塞可以沿缸壁無摩擦不漏氣的滑動(dòng)，氣缸置于水平面上，缸筒內(nèi)有壓強(qiáng)為p₀，溫度為T₀的理想氣體，氣體體積恰好占缸筒容積的一半，如圖所示。此時(shí)大氣壓也是p₀，彈簧的勁度系數(shù)為k，氣缸與地面的最大靜摩擦力為f，求：

（1）當(dāng)kL＜f，對(duì)氣缸緩慢加熱到活塞移至缸筒口時(shí)，氣缸內(nèi)氣體溫度是多少？

（2）當(dāng)kL＞f，對(duì)氣缸緩慢加熱到活塞移至缸筒口時(shí)，氣缸內(nèi)氣體的溫度又是多少？

Answer 1

正確解析：第一問如下所述，略。

　　第二問，當(dāng)kL＞f，就意味著彈簧壓縮到一定程度，設(shè)壓縮量為x，即kx = f處，就不繼續(xù)壓縮，這之后，氣缸開始滑動(dòng)，而氣體則做等壓升溫膨脹。

　　氣體的變化可以分為三種狀態(tài)兩個(gè)過程，如圖所示。

   

　　第一個(gè)過程：甲態(tài)→乙態(tài)，p，V，T都變。

　　

　　而丙態(tài)的壓強(qiáng)與乙態(tài)相同，

　　

　　第二個(gè)過程：從甲態(tài)→丙態(tài)應(yīng)用氣態(tài)方程

　　　

錯(cuò)解分析：

錯(cuò)解：（1）以整體為對(duì)象。

∵kL＜f，所以在活塞移至缸口時(shí)（此時(shí)彈簧彈力為kL），系統(tǒng)始終靜止。

　　以活塞為對(duì)象，末態(tài)受力如圖所示。

   

　　由平衡條件可知：p₂S=p₀S+kL

　　

　　以氣體為對(duì)象，p₁=p₀ V₁=Ls T₁=T₀

　　

　�。�2）當(dāng)kL＞f時(shí)，氣缸要滑動(dòng)

　　解法一：與（1）解法類似

對(duì)活塞受力分析如上圖所示

　　其余解法與（1）相同，答案也與（1）相同，說明兩種情況沒有區(qū)別。

　　解法二：以活塞為對(duì)象受力分析如圖所示

   

p₂S+f = kL+p₀S

　　此題第一問解法及答案均正確。錯(cuò)誤主要發(fā)生在第二問：（1）沒有詳細(xì)地分析kL＞f情況下氣缸，活塞的運(yùn)動(dòng)，而是套用了第一問解題的思路，分不清kL＜f與kL＞f在此題中的本質(zhì)區(qū)別。（2）解法2對(duì)活塞受力分析出現(xiàn)了氣缸受力f，導(dǎo)致錯(cuò)誤。