Задание 24 ЕГЭ по физике · F717A0
Движение поршня после открытия сосуда
Горизонтальный сосуд разделён подвижным поршнем, который может свободно перемещаться без трения. Правая часть сосуда заполнена воздухом и герметично закрыта пробкой, левая часть сосуда открыта. Поршень соединён пружиной с левой стенкой сосуда. Первоначально поршень находится в равновесии, а пружина растянута. Опираясь на законы механики и молекулярной физики, опишите, как будет двигаться поршень, если из правой части сосуда вынуть пробку. Температуру воздуха считать постоянной.
Развёрнутый ответ: проверяется по критериям ФИПИ.
Решение
До извлечения пробки поршень находится в равновесии. Поскольку пружина растянута, она действует на поршень силой, направленной влево. Эта сила уравновешивается большей силой давления воздуха справа.
pправS=pатмS+kx0
После извлечения пробки воздух из правой части сосуда начинает выходить. При постоянной температуре уменьшение количества воздуха приводит к уменьшению его давления. В конечном счёте давление справа становится равным атмосферному.
pправ→pатм
В момент открытия давление справа уменьшается, а слева оно уже атмосферное. Поэтому сила давления больше не уравновешивает силу растянутой пружины, и поршень начинает двигаться влево.
Fрез=(pправ−pатм)S−kx<0
Поршень, двигаясь влево, уменьшает растяжение пружины. По закону Гука сила пружины уменьшается, а после прохождения положения равновесия пружина начинает сжиматься и действует на поршень вправо.
Fпруж=−kx
Так как трение отсутствует, механическая энергия не рассеивается. Поэтому после переходного процесса поршень будет совершать незатухающие гармонические колебания около положения, в котором пружина не деформирована, а давления по обе стороны поршня равны атмосферному.
T=2π
pправS=pатмS+kx0
После извлечения пробки воздух из правой части сосуда начинает выходить. При постоянной температуре уменьшение количества воздуха приводит к уменьшению его давления. В конечном счёте давление справа становится равным атмосферному.
pправ→pатм
В момент открытия давление справа уменьшается, а слева оно уже атмосферное. Поэтому сила давления больше не уравновешивает силу растянутой пружины, и поршень начинает двигаться влево.
Fрез=(pправ−pатм)S−kx<0
Поршень, двигаясь влево, уменьшает растяжение пружины. По закону Гука сила пружины уменьшается, а после прохождения положения равновесия пружина начинает сжиматься и действует на поршень вправо.
Fпруж=−kx
Так как трение отсутствует, механическая энергия не рассеивается. Поэтому после переходного процесса поршень будет совершать незатухающие гармонические колебания около положения, в котором пружина не деформирована, а давления по обе стороны поршня равны атмосферному.
T=2π
Пример ответа
После извлечения пробки воздух выйдет из правой части сосуда, и её давление уменьшится до атмосферного. Поршень начнёт двигаться влево под действием растянутой пружины, затем пройдёт положение равновесия и будет совершать незатухающие гармонические колебания около положения, соответствующего недеформированной пружине.
Источник: Открытый банк ФИПИ F717A0
Похожие задания
24Три одинаковых сосуда, содержащих разреженный газ, соединены друг с другом трубками малого диаметра: первый…Изменение количества газа · 003B5124Закрытый сверху вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный воздухом, разделён тяжёлым поршнем, способным…Количество удалённого воздуха · 05A6DD24В запаянной с одного конца трубке находится влажный воздух, отделённый от атмосферы столбиком ртути длиной l…Тепловой баланс и тепловое равновесие · 060CB224Два одинаковых теплоизолированных сосуда соединены короткой трубкой с краном. В первом сосуде находится ν1 =2…Равновесие двух газов · 075E8424Закрытый вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным газом, разделён на две части тяжёлым…Газ под поршнем: механическое равновесие · 0EEB9424В запаянной с одного конца стеклянной трубке, расположенной горизонтально, находится столбик воздуха длиной…Воздушный столбик и ртуть · 0F5292
Нужен репетитор по физике?
Посмотрите репетиторов, которые ведут занятия в Precettore, или оставьте заявку — подберём сами.
Готовьтесь к ЕГЭ по физике в Precettore
Варианты с автопроверкой, домашние задания от репетитора, онлайн-доска и разбор ошибок — в одном кабинете. Регистрация бесплатная.