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拖动探头改变深度和位置 · 看 U 形管两侧液面的高度差
原理讲解 ↓

液体压强:液体内部压强的特点与 p = ρgh

液体内部朝各个方向都有压强;在同一深度,各个方向的压强都相等;深度越深,压强越大;深度相同时,液体的密度越大,压强越大。液体压强的大小 p = ρgh,只与液体的密度和深度有关,与容器的形状、液体的多少无关。

液体为什么有压强

液体受到重力,所以对支撑它的容器底有压强;液体具有流动性,所以对阻碍它流散开的容器侧壁也有压强,液体内部朝各个方向都有压强。容器侧壁上开的孔,越靠下的孔喷出的水越急,说明越深压强越大。

用微小压强计探究液体内部的压强

微小压强计由金属盒(探头,蒙有橡皮膜)、橡皮管和装有红墨水的 U 形管组成。橡皮膜受到的压强越大,U 形管两侧液面的高度差 Δh 越大——这是用 Δh 反映压强大小的转换法。

  1. 使用前检查气密性:用手指按压橡皮膜,U 形管两侧液面出现明显的高度差,松手后又恢复相平,说明不漏气。如果液面几乎不动,说明漏气,要拆下软管重新安装。
  2. 保持探头在水中的深度不变,使橡皮膜朝上、朝下、朝侧面,观察 Δh。
  3. 改变探头在水中的深度,观察 Δh。
  4. 保持深度不变,把水换成酒精、盐水,观察 Δh。

每次只改变一个因素,其他因素保持不变,这是控制变量法。

液体压强的大小 p = ρgh

设想在液面下深度为 h 处有一个水平放置的面积为 S 的“平面”,它上方的液柱体积 V = Sh,液柱重 G = mg = ρShg,对平面的压强 p = F/S = ρgh。

p = ρ g h
ρ—kg/m³,g = 9.8 N/kg(计算时常取 10 N/kg),h—m,p—Pa

例:水深 10 cm 处,p = 1.0×10³ kg/m³ × 10 N/kg × 0.1 m = 1000 Pa;同样深度的盐水(1.2×10³ kg/m³)中为 1200 Pa,酒精(0.8×10³ kg/m³)中为 800 Pa。U 形管里装水时,水中探头深 10 cm,两侧液面高度差就是 10 cm。

深度 h 是从液面到该点的竖直距离,不是到容器底的距离,也不是沿倾斜管子的长度。

液体内部压强的规律

控制不变的量改变的量U 形管液面高度差结论
液体、深度橡皮膜的朝向不变同一深度,各个方向的压强相等
液体、朝向深度越深越大深度越深,压强越大(p ∝ h)
深度、朝向液体的密度密度越大越大深度相同,液体的密度越大,压强越大
液体、深度容器的形状、液体的多少不变液体压强与容器形状、液体质量无关

容器底部受到的压强和压力

液体对容器底的压强 p = ρgh 只看深度。底面积相同、液体深度相同的柱形、敞口、缩口容器,底部受到的压强和压力 F = pS 都相同,但装的液体重力不同:

容器形状液体对容器底的压力 F 与液体重力 G液原因
柱形(直壁)F = G液侧壁竖直,液体的重力全部压在容器底上
敞口(上宽下窄)F < G液侧壁向外倾斜,承担了一部分液体的重力
缩口(上窄下宽)F > G液侧壁对液体有向下的压力

所以求液体对容器底的压力,一般先用 p = ρgh 求压强,再用 F = pS 求压力。如果三个容器装的是质量相同的液体,缩口容器液面最高,底部压强最大;敞口容器液面最低,底部压强最小。帕斯卡用几杯水就压裂了木桶,就是因为细管让水的深度变得很大。

浮力产生的原因

浸没在液体中的正方体,前后、左右两个侧面在相同深度受到的压强相等、方向相反,压力互相抵消;下表面比上表面深,受到向上的压力 F向上 大于向下的压力 F向下。浮力就是液体对物体向上和向下的压力差:F浮 = F向上 − F向下。浸没后,上下表面的深度差等于物体的高度,压力差不随深度变化,所以浮力与浸没的深度无关;算出来 F浮 = ρ液gSa = ρ液gV排,和阿基米德原理一致。如果物体下表面与容器底紧密接触(如桥墩),下表面不受液体向上的压力,物体就不受浮力。

用这个模型做实验

  1. 打开“液体内部的压强”,先点“用手指按压橡皮膜”,看 U 形管液面出现高度差,说明装置不漏气;再勾选“装置漏气”按一次,对比一下。
  2. 把探头放在水中 10 cm 深处,依次点“膜朝上”“膜朝侧面”“膜朝下”,看 Δh 是否变化,每次都“记录数据”。
  3. 拖动探头到 5 cm、15 cm 深处记录,看右侧 p-h 图像上的点是否落在过原点的直线上;左右拖动探头,看同一深度不同位置的 Δh。
  4. 保持深度 10 cm,换成酒精、盐水,再把 U 形管里换成酒精,看哪种情况 Δh 更大。面板会根据记录的数据自动归纳规律。
  5. 打开“容器形状”,拖动深度,比较三个容器底部的压强、压力和液体重力;切换到“液体质量相同”,看哪个容器底部压强最大。
  6. 打开“浮力产生的原因”,把正方体从液面上方慢慢拖到深处,看上下表面压力和压力差怎样变化;勾选“下表面与容器底紧密接触”,看浮力去哪了。

常见问题

液体内部压强有什么特点?

液体内部朝各个方向都有压强;在液体内部的同一深度,向各个方向的压强都相等;深度越深,压强越大;液体内部压强的大小还跟液体的密度有关,在深度相同时,液体的密度越大,压强越大。液体压强与容器的形状、液体的质量和体积无关。

液体压强公式 p = ρgh 中的 h 指什么?

h 是深度,指从液体的自由液面到所求那一点的竖直距离,不是该点到容器底的高度,也不是沿倾斜容器测量的长度。例如水深 30 cm 的容器中,离容器底 10 cm 的点深度是 20 cm,压强为 1.0×10³ kg/m³ × 10 N/kg × 0.2 m = 2000 Pa。计算时 ρ 用 kg/m³、h 用 m,得到的压强单位是 Pa。

U 形管压强计是怎样反映液体压强大小的?

探头上的橡皮膜受到液体压强时向内凹,挤压管内的空气,使 U 形管两侧液面出现高度差。压强越大,液面高度差越大,所以可以用 U 形管两侧液面的高度差来反映液体压强的大小,这种方法叫转换法。U 形管里换用密度更小的液体,同样的压强对应的高度差更大,现象更明显。

怎样检查压强计是否漏气?

用手指轻按橡皮膜,如果 U 形管两侧液面出现明显的高度差,并且松手后能恢复相平,说明装置不漏气;如果液面几乎不变,说明装置漏气。使用前 U 形管两侧液面不相平时,应拆下橡皮管重新安装,而不是从 U 形管里倒出液体。

液体对容器底的压力一定等于液体的重力吗?

不一定。液体对容器底的压力 F = pS = ρghS,只有柱形(直壁)容器中才等于液体的重力;上宽下窄的敞口容器中压力小于液体重力,上窄下宽的缩口容器中压力大于液体重力。所以求液体对容器底的压力,应先用 p = ρgh 求压强,再用 F = pS 求压力。

浮力是怎样产生的?

浸在液体中的物体,各个侧面受到的液体压力互相抵消,下表面所处的深度比上表面大,受到向上的压力大于向下的压力,浮力就是这个压力差,F浮 = F向上 − F向下。物体浸没后,上下表面的深度差不变,压力差不变,所以浮力不随浸没深度变化;物体下表面与容器底紧密接触时,不受向上的压力,也就不受浮力。

适用课程

人教版初中物理八年级下册第九章《压强》第 2 节“液体的压强”(液体压强的特点、液体压强的大小、连通器的原理基础)、第十章《浮力》第 1 节“浮力”(浮力产生的原因),其他版本教材中的相关内容。常见题型有“探究液体压强与哪些因素有关的实验(转换法、控制变量法、检查气密性)”“利用 p = ρgh 计算液体压强和深度”“比较不同形状容器底部的压强和压力”“液体对容器底的压力与液体重力的关系”“用压力差法求浮力”等。

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