水中壓強的奧秘

崔勝玉

1648年，有一位法國物理學家表演了一個著名的實驗。他用1個密閉的裝滿水的桶，在桶蓋上插入1根細長的管子，從樓房的陽臺上向細管子里灌水，結果只用了幾杯水，就把桶壓裂了，桶里的水從裂縫中流了出來。這對許多人來說是不可思議的。這就是歷史上有名的帕斯卡桶裂實驗，而這位法國物理學家就是布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal）。

幾杯水為什么能使桶破裂呢？其中的奧秘就是我們常常提到的壓強。一個容器里的液體，對容器底部（或側壁）產(chǎn)生的壓力遠大于液體自身的重量，液體中的壓強等于密度、深度和重力加速度常數(shù)之積（p=ρ gh）。在這個實驗中，由于細管子的容積較小，但深度很大，幾杯水灌進去，深度一再增加，則下部的壓強越來越大，其液壓終于超過木桶能夠承受的上限，木桶隨之裂開了，是不是有點匪夷所思呢？如果您想近距離了解水中壓強這個科學概念，歡迎到中國科技館“兒童科學樂園”展廳，體驗“壓力噴泉”和“壓水圉”2個展品，讓您在互動體驗中直觀感受水中壓強的所在。

壓力噴泉

展品“壓力噴泉”由轉動手輪、注水管道、水泵、船帆外形的容器等組成。船帆釙形的容器上有多個高度不同但大小相同的流水孔。觀眾轉動手輪啟動水泵，將水注入船帆外形的容器中，流水孔有水流噴出，水流噴射的距離長短不一，但也有規(guī)律可循，處于容器中間位置的流水孔噴射的水流較遠，而處于容器較高或者較低位置的流水孔，水流噴射的距離相對較近。為什么會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象呢？答案就是水中的壓強。

為了方便理解，我們簡化展品效果圖為示意圖（如圖2），將船帆外形的容器簡化為1個水管，假設水管中水量一直是滿的，對水流噴射的距離與液體壓強之間的關系進行推導。

首先，推導水流水平初速度與壓強之間的關系。我們將流水孔所在的截面以上的水體看為一個整體，根據(jù)能量守恒原則，在忽略摩擦力損耗的前提下，管中水減少的勢能將全部轉化為小孔中射出水的動能，可以根據(jù)公式（1）計算出水平初速度（h為水深）。

其次，推導水流下落的時間，我們以B孔為例。假設水面距離地面的高度為H，B孔離水面血（即為水深），所以B孔距離地面高度H-h，根據(jù)公式（2），計算下落的時間。

最后，根據(jù)公式（3）計算水平距離S。

也就是說，當流水孔處于水管的中間位置時，水流噴射的水平距離最遠。水流噴射的水平距離與水流的初速度和下落時間相關，水中壓強的存在使得高度不同的流水孔出水的初速度不同，流水孔距地面的高度確定了下落的時間，因此展品會出現(xiàn)噴水距離遠近不一的現(xiàn)象，通過推導我們也明白了“處于容器中間位置的流水孔噴射的水流較遠，而處于容器較高或者較低位置的流水孔，水流噴射的距離相對較近”這一現(xiàn)象背后的科學原理，直觀感受到水中壓強的存在。

壓水圈

展品“壓水圈”由有機玻璃圓桶、水、壓桿和環(huán)形氣泡機組成。觀眾通過快速按下壓桿，桶的底部形成環(huán)狀氣泡，環(huán)狀氣泡在水中會不斷上浮，并在上浮的過程中變得越來越大，當?shù)竭_水面時就消失在空氣中。

環(huán)狀氣泡在水中上浮逐漸變大的原因也是水中壓強的作用。水體內(nèi)部向各個方向都有壓強，在同一深度向各個方向的壓強都相等。水的深度越深，壓強越大。當有機玻璃圓桶底部形成環(huán)狀氣泡后，環(huán)形氣泡水平方向的壓強都是相同的，因此，環(huán)形氣泡不會在水平方向上移動。但是環(huán)形氣泡頂部與底部在水中的深度不同，將會形成壓強差，并且底部的壓強大于頂部壓強，所以環(huán)形氣泡由于水中壓強的作用會趨于向水面上浮動，不過在上浮的過程中液壓逐漸變小，環(huán)形氣泡周圍的壓強變小，所受壓力逐漸變小，氣泡會逐漸變大膨脹。展品“壓水圈”也能讓我們直觀地感受到水中壓強的存在。

孩子在幼年階段認識事物，容易被事物的外部的、直觀的表面現(xiàn)象吸引，隨著年齡的增長，逐漸就會對事物的內(nèi)在的本質屬性進行深入思考。2017年教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》中要求孩子能從具體現(xiàn)象與事物的觀察、比較中，提出可探究的科學問題，在教師引導下，能依據(jù)證據(jù)運用分析、比較、推理、概括等方法俞析結果，得出結論。2019年6月1日新亮相的中國科技館“兒童科學樂園”展廳總面積達3900平方米，設置128件展品。展品通過直觀科學現(xiàn)象展示科學概念，向孩子們拋出了許多可以探究的科學問題。熱愛科學、喜歡科學的小朋友，歡迎來到“兒童科學樂園”找出那些可以探究的科學問題，一起體驗科學，快樂成長吧！