法国一位著名的数学家、物理学家、哲学家和散文家——帕斯卡对于液体压强进行了深入研究,他指出:液体产生的压强大小仅跟液体的深度和密度有关,与液体的多少没有关系,“一段细长的水柱对底部产生的压强,可以大大超过一盆水对盆底的压强.”这一观点在当时引起人们的普遍怀疑.1648年,他公开表演了一个精彩的实验(图1):他用一个密闭的装满水的桶,在桶盖上插入一根细长的管子,从楼房的阳台上向细管子里灌水.结果只用了几杯水,就把桶压裂了,桶里的水就从裂缝中流了出来.原来由于细管子的容积较小,几杯水灌进去后水的重没有增大多少,但是其深度h的变化非常大.为纪念帕斯卡在液体压强等方面的卓越成就,人们把压强的单位命名为“帕斯卡”.
通过书本知识的学习,同学们知道了液体内部压强的计算公式是p=ρgh.对于某种液体而言,其内部深度越大,产生的压强也越大.下面,我们首先通过两个小实验来说明一下同种液体内部压强与深度的关系.
实验一:制作一个两面蒙有橡皮膜的有机玻璃正方体,并使橡皮膜的绷紧程度一致;正方体内的空气通过一根硬塑料管和大气相通.要求管与孔壁间不漏水,如图2所示.将立方体浸没于水中,并改变立方体放置的方向.可以清楚地看到:当橡皮膜处于左右两侧面时,其凹进程度相同;而当橡皮膜处于上下两面时,凹进的程度明显不同,下面的橡皮膜要比上面的橡皮膜凹进的程度大.这是因为当橡皮膜处于左右两侧时,对应的位置深度是一样的,从橡皮膜凹进的程度相同就可说明同种液体内部相同深度的压强相等.而当橡皮膜处于上下两侧时,下面橡皮膜明显比上面的凹进程度要大,这说明该液体内深度越大的地方产生的压强也越大.
实验二:(1)用塑料片严密地挡住玻璃管的一端,用手按住塑料片把玻璃管竖直插入装有水的量筒中(图3a).(2)用烧杯将染成红色的水慢慢倒入玻璃管中,直到管内外液面相平,塑料片掉下来(图3b).塑料片在管内外液面相平之前一直没有掉下来,说明受到外面水的压强比里面的压强大,而这时正是里面水的深度比外面小所形成的.当管内外水面相平时,塑料片才掉下来,这说明此时管内外水的压强相等,塑料片在重力作用下往下运动.
随着学习的不断深入,同学们慢慢就会发现其实液体压强的问题也不是很难,最重要的就是要抓住解题关键,我觉得这个关键就是“深度”.那什么是深度呢?深度就是距离自由液面的竖直距离.这句话看似很简单,但有两点是要下功夫去弄清楚的.一是自由液面,二是竖直距离.下面我通过一个典型例子加以阐述.
如图4所示,该图中首先明确自由液面只有一处,那就是在A点正上方的液面,有的同学会把B点顶端的位置也当成是自由液面,这是不对的.其次A、B、C三点的深度应该是到液面的竖直距离,如图中所标的ha、hb和hc对于B、C两点不能斜着去测量到液面的距离,更不能测量到容器底部的距离.
在学会认准深度的情况下,再结合液体的密度来解决问题,难度就小多了.同学们通过下面几个典型的例题可以进一步加强对液体压强与深度关系的理解.
例1如图5所示,甲、乙两支完全相同的试管,分别装入同种液体.甲试管竖直放置,乙试管倾斜放置,两试管液面相平.设液体对两试管底的压强分别为p甲和p乙,则().
A.p甲
C.p甲>p乙D.条件不足,无法判断
解析本题中液体的密度是一定的,甲、乙试管的液面相平,那试管底部的深度就是一样的,如图中的h所示,则p甲和p乙应该是相等的.
这道题还能变化为:将乙试管慢慢竖立起来,请问液体对试管底部的压强如何变化?首先试管内液体密度不变,其次在竖立的过程中自由液面会慢慢上升使得试管底部的深度逐渐增大,所以底部受到的压强会增大.
例2图6为水库大坝的设计示意图,你认为哪一张设计图是合理的?(选填“A”“B”或“C”)理由是.
解析本题是液体压强知识在生活中的直接应用.根据同种液体内越深的地方受到的液体压强越大,从而产生的压力也越大,所以水库大坝越往下受到的水的压强越大,压力也越大,那就要造的越宽,这样大坝才会牢固.选A.
例3一个截面积为5cm2的玻璃管的下端扎上一块橡皮膜,将一定量的酒精倒进管里,橡皮膜向外突出;然后把玻璃管竖直放入盛有清水的玻璃杯里,当玻璃管进入水中16cm深时,橡皮膜恰好变平,如图7所示,则水对橡皮膜的压强是,方向是.
解析这个例子可以非常形象地体现液体内部压强随深度的变化及方向.首先倒入酒精后,对底部橡皮膜产生向下的压强,所以橡皮膜向外突出.当玻璃管竖直放入水中后,橡皮膜下表面就会受到水产生的向上的压强,因此橡皮膜的突起程度会变小.随着玻璃管底部的深度不断增大,受到的水的压强也不断加大,所以橡皮膜慢慢地就会变平了.如果再把玻璃管往下放,我们还会看到由于水产生的压强比酒精的压强大,所以橡皮膜还会往上凹进去.
例4一密封的圆台形容器如图8所示,内装一定质量的水,若把它倒置,则水对容器底面的作用情况是().
A.压力增大,压强减小
B.压力减小,压强减小
C.压力增大,压强增大
D.压力减小,压强增大
解析首先判断液体对容器底部的压强.当容器倒置后,变成了底小口大的倒梯形容器,因此底部到水面的深度增大,根据p=ρgh可以得到水对容器底部的压强增大.此时我们分析还发现,虽然倒置后液体对容器底部压强p增大,可受力面积S减小,若用F=pS来计算则无法判断液体对容器底部压力大小变化.但通过分析条件可以发现容器内液体重没变.所以根据原来是底大口小的容器有F>G液,倒置后变成底小口大的容器有F
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”