氣體壓強改變對液體內(nèi)部壓強影響的定性實驗驗證

林維杰

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

義務教育初中物理“液體的壓強”一課中，很多教材是以液柱所受的重力作為出發(fā)點，根據(jù)壓強的定義，最終推導出液體壓強的計算公式為

p=ρ液gh．

(1)

但鑒于初中生的認知能力，很多教材沒有對式(1)進行深入討論． 大量教輔資料也并未深入探究氣體壓強改變對液體壓強的影響． 這導致很多學生不能充分理解式(1)的意義，在遇到氣壓減小而液面上升的特殊情況時對液體壓強的變化有判斷困難． 下面通過1道物理中考題所引發(fā)的困惑，組織學生開展了相關(guān)的研究性學習．

1 一道物理中考題引發(fā)的學生困惑

如圖1所示，蠟燭火焰熄滅后，盤中的水在大氣壓的作用下進入杯中，這一過程中，杯中水柱產(chǎn)生的壓強將增大．(節(jié)選自2011年江蘇省無錫市中考物理試題第22題)

圖1 無錫市物理中考題配圖

由于杯中水柱產(chǎn)生的壓強屬于液體壓強，式(1)中的h為液體深度，所以由杯中水柱深度增大易得壓強增大的結(jié)果． 但學生卻有以下疑問：1)為什么不能通過自由液面的下降得出壓強減小？2)杯中水某點的液體壓強如何變化？3)“水柱產(chǎn)生的壓強”與“水中某點的液體壓強”2個概念是否相同？下面將根據(jù)定性實驗探究上述問題．

2 實驗器材

實驗所需器材為：帶瓶塞玻璃罩、方形玻璃磚、蠟燭、水槽、U形管壓強計和鐵架臺. 設計的演示實驗裝置如圖2所示．

圖2 演示實驗裝置

3 實驗原理

在固定好的已點燃蠟燭周圍，側(cè)立放置3塊方形玻璃磚，架起已取出瓶塞的玻璃罩，玻璃罩內(nèi)部與外部水面相平[如圖3(a)所示]． 蓋緊瓶塞后，由于氧氣的消耗，蠟燭火焰最終熄滅． 罩內(nèi)由于氣壓降低，導致內(nèi)外水面形成高度差[如圖3(b)所示]．

(a)水面相平 (b)內(nèi)外水面形成高度差圖3 未蓋與蓋上瓶塞時水面的變化

玻璃磚間的空隙使得固定在鐵架臺上的探頭部件可以水平移入玻璃罩． 通過U形管液面高度差可以比較玻璃罩內(nèi)部某一深度液體在大氣壓下和氣壓降低后的壓強變化． 鑒于壓強計探頭的橡皮膜結(jié)構(gòu)，U形管兩端液面高度差產(chǎn)生的壓強不等于探頭所受到的壓強[1]，故本實驗只作定性分析．

4 實驗過程

1)將取出瓶塞的玻璃罩放入水槽前，不點燃蠟燭，并將已調(diào)零的U形管壓強計的探頭固定于水槽內(nèi)某一深度保持不變(如圖4所示)．

(a)未點燃蠟燭的實驗裝置 (b)壓強計示數(shù)圖4 未點燃蠟燭時的實驗狀況

2)探頭水平移進玻璃罩，整體處于罩內(nèi)． 壓強計示數(shù)與圖4(b)相比，無法發(fā)現(xiàn)明顯變化．

3)取出玻璃罩，點燃蠟燭，將玻璃罩重新放入水槽，并蓋緊瓶塞，待火焰熄滅(如圖5所示)．

(a)點燃蠟燭后的實驗裝置 (b)壓強計示數(shù)圖5 點燃蠟燭后的實驗狀況

4)探頭水平移進玻璃罩內(nèi)(如圖6所示)． 壓強計示數(shù)與圖5(b)相比，無法發(fā)現(xiàn)明顯變化． 需要注意的是，為使探頭完全處于玻璃罩內(nèi)部，橡膠管會與玻璃罩觸碰，探頭部件發(fā)生輕微傾斜，造成探頭其中一側(cè)位置輕微下降[如圖6(a)所示]． 這會導致測量值偏大，但因誤差修正值取負，故不影響后續(xù)的定性實驗分析．

(a)側(cè)視圖 (b)俯視圖圖6 探頭水平移進玻璃罩內(nèi)的實驗狀況

5 實驗結(jié)果及分析

在點燃蠟燭前后，壓強計的液面高度差如表1所示.

表1 壓強計液面高度差Δh

1)蠟燭情況相同時，玻璃罩內(nèi)外液體壓強相等，這是液體穩(wěn)定后處于平衡狀態(tài)的必然結(jié)果．

a.蠟燭不點燃，此時因為不蓋瓶塞，所以玻璃罩內(nèi)外水面均與大氣壓接觸． 玻璃罩壁正下方某點處所受罩內(nèi)外的液體內(nèi)部壓強關(guān)系為

p內(nèi)1=ρ水gh內(nèi)1+p氣內(nèi)1，
p外1=ρ水gh外1+p氣外1．

(2)

等號右邊第一項均為“水柱產(chǎn)生的壓強”項，第二項為氣壓項，兩項之和為“水中某點的液體壓強”．兩等式有如下關(guān)系：h內(nèi)1=h外1,p氣內(nèi)1=p氣外1=p0(大氣壓強),p內(nèi)1=p外1．

b.蠟燭點燃并熄滅后，此時因為瓶塞蓋緊，玻璃罩內(nèi)氧氣的消耗導致氣壓降低，玻璃罩壁正下方某點處所受罩內(nèi)外的液體壓強關(guān)系為

p內(nèi)2=ρ水gh內(nèi)2+p氣內(nèi)2，
p外2=ρ水gh外2+p氣外2．

(3)

兩等式有如下關(guān)系：h內(nèi)2>h外2，p氣內(nèi)2

2)探頭位置相同時，蠟燭熄滅后，玻璃罩內(nèi)外部的液體內(nèi)部壓強均有相同幅度的減小．

a.在玻璃罩外部，因為h外2

b.在玻璃罩內(nèi)部，雖然h內(nèi)2>h內(nèi)1，但p氣內(nèi)2

6 困惑的解決

由此可見，“水柱產(chǎn)生的壓強”即式(3)第一項)雖增大，但問題2)的“水中某點的液體壓強”(即p內(nèi))最終減小． 因此，問題3)中的2個概念應嚴格區(qū)分． 這也正是問題1)不能通過自由液面的下降而得出“水柱產(chǎn)生的壓強”減小的原因． 值得注意的是，實際問題中氣壓的具體變化大小難以計算，但通過液體的平衡狀態(tài)和本實驗的結(jié)果均可判斷p內(nèi)2與p外2有相同幅度的降低． 因此，在判斷水中某點液體壓強的變化時，采用初中物理教學中常用的觀察自由液面升降的方法是合理的．

7 小 結(jié)

1) 初中物理學習的式(1)是忽略氣體壓強后的相對液體壓強公式．

該式是選取了當時當?shù)氐膶嶋H大氣壓強p0為零點． 因為與壓強計U形管連接的橡膠管中的氣壓為大氣壓強p0，又因為在初中物理實驗中，液面一般也是全部接觸大氣，所以可以忽略p0而直接用式(1)計算液體壓強．此公式中h表示液體某點距自由液面的距離．

2) 考慮氣體壓強改變對液體內(nèi)部壓強影響的相對液體壓強公式為

p=ρ液gh+Δp=ρ液gh+(p氣-p0)，

p氣為與液面接觸的氣體的實際壓強．

在實際計算中，由于容器形狀的復雜所導致的與某部分液面接觸的氣體的壓強并不等于p0時，不可忽略p氣與p0的差值Δp． 考慮到液體受壓的外力主要包括表面力和體積力(如：重力)[3]，又根據(jù)帕斯卡定律，表面力引起的壓強處處相等，所以ρ液gh與Δp為疊加關(guān)系． 該式將液體內(nèi)部壓強看作液柱產(chǎn)生的壓強項與氣壓項的疊加，故h表示液體內(nèi)部某點距該點液柱面的距離．

3) 考慮氣體壓強改變對液體內(nèi)部壓強影響的絕對液體壓強公式為[4]

p=ρ液gh+p氣．

(4)

該式是選取了p氣=0為零點． 即只有特殊地在真空中時，才得出式(1)形式． 例如，托里拆利實驗測量大氣壓時，計算玻璃管內(nèi)水銀柱產(chǎn)生的液體壓強正是該式在p氣=0時的形式． 該式中h表示液體內(nèi)部某點距該點液柱面的距離．

綜上，為了方便具體計算，應視具體情況選用上述的液體壓強公式． 在初中物理壓強章節(jié)的教學中，建議在學習液體壓強并推導出式(1)后，說明h是自由液面到某點的距離，而學習大氣壓強后，應及時闡明“自由液面”是指與大氣接觸的液面． 并且，在中學物理教學中，適當?shù)亻_展液體壓強的研究性學習并引出上述液體壓強公式的區(qū)別和聯(lián)系，可以加深學生對液體壓強公式的理解，并初步了解氣體壓強與液體壓強的關(guān)系．