例1:某小组同学研究圆柱体上(或下)表面受到液体的压力大小与液体的深度、密度的关系。实验时,该小组同学把一个高为0.1米的实心圆柱体浸没在甲、乙两种液体中(液体甲的密度大于液体乙的密度),如图7所示,并不断改变它所处的深度。他们利用仪器测得液面到圆柱体上表面的距离及圆柱体上、下表面受到液体的压强,并利用公式求得上、下表面受到液体的压力,记录数据如表一、表二所示。
表一 液体甲
|
液面到上表面的距离h(米) |
0 |
0.02 |
0.04 |
0.06 |
0.08 |
0.10 |
|
上表面受到液体的压力(牛) |
0 |
0.20 |
0.40 |
0.60 |
0.80 |
1.00 |
|
下表面受到液体的压力(牛) |
1.00 |
1.20 |
1.40 |
1.60 |
1.80 |
2.00 |
表二 液体乙
|
液面到上表面的距离h(米) |
0 |
0.02 |
0.04 |
0.06 |
0.08 |
0.10 |
|
上表面受到液体的压力(牛) |
0 |
0.16 |
0.32 |
0.48 |
0.64 |
0.80 |
|
下表面受到液体的压力(牛) |
0.80 |
0.96 |
1.12 |
1.28 |
1.44 |
1.60 |
⑴分析比较________________数据及相关条件,可得出的初步结论是:在同种液体中圆柱体上表面受到液体的压力与深度成正比。
⑵分析比较表一和表二中的第三列(或第四列、或第五列……)数据及相关条件,可得出的初步结论是___________ 。
⑶请进一步综合分析比较表一、表二中的数据及相关条件,并归纳得出结论。
(a)分析比较表一(或表二)中的第二行与第三行数据及相关条件,可初步得出:______________________________________________;
(b)分析比较表一和表二中的第二行与第三行数据及相关条件,可初步得出:_______。
答案:⑴表一(或表二)中的第一行与第二行;⑵当深度相同时,液体的密度越大,圆柱体上(或下)表面受到液体的压力越大;⑶a圆柱体浸没在同种液体中,下、上表面受到液体的压力差是一个定值; b圆柱体浸没在不同液体中,下、上表面受到液体的压力差是不同的,且液体的密度越大,压力差越大。
解析:此题除了考查同学们对压力、压强的大小关系的掌握程度外,主要考查同学们对实验数据的分析和处理能力,再者就是考查研究物理学的科学方法即控制变量法的掌握程度。此题的更大意义还在于为今后探究影响浮力大小的因素起到了“铺路”的作用。通过分析表格第一行和第二行数据发现,圆柱体上表面的深度每增加0.02m,表格1、2中压力则相应增加0.2N、0.16N,即压力与深度成正比。第⑵、⑶问的分析过程如此类推。
例2:如图8所示,将两端开口(上口较小)的玻璃管A的下端用薄轻质板抵住后放入装水的烧杯中,当缓慢地向A中注入150g水时,下端的薄板恰好下落,问在下列情况下,能使薄板下落的是( )
A.缓慢注入150g酒精
B.缓慢注入150g水银
C.轻轻放入150g砝码
D.以上三种情况都恰能使薄板下落
答案:A
解析:对此道题,根据现有的知识会发现如下疑难问题:150g的水、酒精、水银三种液体对薄板向下的压力均大于150克力。现用“割补法”分析哪种液体对薄板向下的压力最大。如图9所示,设A玻璃容器内装有一定质量的液体。假定液体内部存在一横截面EF,经过如图割补后使得阴影三角形部分的体积与上端空白三角形部分的体积相等。(注:EF便不在中位线处)这样,就可想象为把“倾斜壁”的液柱变成“竖直壁”的液柱,则液体对底部的压强可根据压强的定义式
来讨论。
设液体的质量为m,EF处横截面积为S,则容器底部的压强
,若在A玻璃容器内装等质量的水、酒精、水银,由于酒精的密度最小,则其体积最大,所以EF的位置最高,即S最小,所以对底部产生的压强最大,因而底部受到的压力也最大。满足的关系式应为:F酒精>F水>F水银>150克力,故正确的答案应选A。
例3:如图10所示,一只玻璃杯中盛有两种不相容的液体,它们的密度大小关系是ρ1<ρ2,这时液体对玻璃杯底面的压强为P甲。再把两种液体搅拌混合均匀(设液体总体积不变)。则玻璃杯底面受到的压强为P乙,则P甲与P乙的大小关系为
A.P甲<P乙 B.P甲>P乙
C.P甲=P乙 D.无法判定
答案:B。
解析:对于此问题,若用P=ρgh考虑,很可能要用到圆台的体积公式,若掌握了演算技巧或某些特殊的分析方法,虽能避免用圆台的体积公式,但分析和演算过程同样相当复杂。现用压强定义式
作定性分析:
根据容器的形状知,容器底部受到的压力F等于如图11中容器内两条虚线a、b部分间液体的重力,问题的关键是搅拌混合均匀后,两条虚线a、b间液体的总重力怎么变化?
从图11中观察分析后,可得如下关系式:
,根据此关系式,所以,搅拌后,密度为ρ1、ρ2的两种液体除了V1与V2、V3与V4、V5与V6发生混合外,必有V3和V5两部分液体同时与V2部分发生混合,才能混合均匀。由于V3和V5两部分液体的密度较小,而V2部分液体的密度较大,所以,混合后,V1和V2两部分液体的总质量会减小,即两条虚线a、b间部分液体的总重力会减小,而玻璃杯底面受到的压力等于此部分液体的总重力,则玻璃底面受到的压力也就会减小,显然,根据公式
考虑,玻璃杯底面受到的压强也减小,所以,选项B才是正确的答案。
例1:(04年吉林)在图1中,正确表示压力的是( )
答案: C。
透视:本题主要考查对压力方向的理解。因压力的方向总是与物体的受力面垂直,且力的作用点在物体表面。A图虽方向与物体表面垂直,但力的作用点不在物体受力面上,所以A图不对;B图中力的方向与水平地面垂直,但不是与受力面垂直,所以B图也不对;对于D图,因压力的方向是竖直向上的,不存在物体之间的相互挤压,所以不是压力;只有C图才正确显示了压力。
例2:(04年上海市)小王同学双脚与地面的面积为4×10-2m2,请根据图2中某些情况下的压强数值估算:⑴小王同学的重力;⑵小王同学平躺时与床面的接触面积;⑶小王同学背着重力为40牛的书包行走时对水平地面的压强。
答案:⑴G=F1=P1S1=1.5×104Pa×4×10-2m2=600N。⑵
⑶![]()
透视:本题着重考查同学们对压强公式
的灵活运用能力。解此题的关键是要注意人站立、行走、躺着时其重力不变,但背着重物时,对地面的压力会增加;且行走时的受力面积是站立时的
。
例3:(04年北京市)如图3,放在水平桌面上的容器,侧壁上有一开口弯管,弯管内的液面高度h1=0.8m;其顶部和底部的面积均为0.1m2,顶部到底部的高度h2=0.6m,容器中的液体密度为1.2×103kg/m3,则液体对容器顶部的压力为________N。(g取10N/kg)
答案:240N。
透视:此题主要考查同学们对压强公式P=ρgh和
的理解和运用,解题的关键是对深度h的理解。若需求容器顶部的压力,就得先求出液体对容器顶部的压强,根据液体压强公式,液体内部某处的深度应该是液面到该处的垂直距离,所以,容器顶部的深度为h=h1-h2。则压力:F=PS=ρghS=1.2×103kg/m310N/kg (0.8m-0.6m )0.1m2=240N。
例4:两块平整的玻璃合拢后,很难被分开,是什么原因?
答案:大气压。
透视:玻璃由于很平整,合拢时就将玻璃之间的空气排出,而玻璃的外侧受大气压作用,因此要把玻璃分开,就需用很大的力克服大气压的作用才能将两块玻璃分开。
例5:做托里拆利实验时,测得水银柱高度是742mm,而当时的大气压实际是750 mm水银柱,其原因是( )
A玻璃管太粗 B玻璃管倾斜
C玻璃弯曲 D玻璃内混进了少许空气
答案:D。
透视:因托里拆利实验中,玻璃管的粗细、长短、弯曲、是否上提、是否倾斜等对实验结果均无影响。所以,只能是玻璃管内混进了少许空气才能使水银柱的高度降低。
例6:(05年月考题)为了探究压力的作用效果与哪些因素有关,某同学用若干个同种材料制成的不同物体放在同一水平细沙面上,进行了三组实验,并记录有关数据分别如表一、表二、表三所示。实验时,他仔细观察沙面的凹陷程度,并通过比较,发现每一组沙面的凹陷程度相同,而各组却不同,第一组凹陷程度最大,第二组其次,第三组最小。
表一 表二 表三
|
实验 序号 |
压力 (N) |
受力面积 (cm2) |
|
实验 序号 |
压力 (N) |
受力面积 (cm2) |
|
实验 序号 |
压力 (N) |
受力面积 (cm2) |
|
1 |
6.0 |
10 |
|
4 |
3.0 |
10 |
|
7 |
3.0 |
20 |
|
2 |
9.0 |
15 |
|
5 |
4.5 |
15 |
|
8 |
4.5 |
30 |
|
3 |
12 |
20 |
|
6 |
6.0 |
20 |
|
9 |
6.0 |
40 |
⑴分析比较实验序号1与4(或2与5、3与6)及观察到的现象,可得出的初步结论是__________。
⑵分析比较___________及观察到的现象,可得出的初步结论是:当压力相同时,受力面积越小,压力的作用效果越显著。
⑶请进一步综合分析比较表一、表二、表三中的数据及观察到的现象,并归纳得出结论。①分析比较________________;②分析比较_______________。
答案:⑴受力面积相同,压力越大,产生的效果越显著;⑵1、6、9;⑶①受力面积相同,压力越大,压力产生的效果越显著;②压力相同,受力面积越小,压力产生的效果越显著。
透视:本题主要考查同学们对压力产生效果的掌握程度外,着重考查同学们对数据表格的分析和处理能力。另外还考查同学们对控制变量法的理解和运用,即在分析压力的大小影响作用效果时,必须控制受力面积不变;在分析受力面积的大小影响作用效果时,必须控制压力的大小不变。
例7:图4是甲、乙两种液体的压强P与深度h关系图像,由图可知,甲液体的密度ρ甲与乙液体的密度ρ乙大小关系是( )
A ρ甲>ρ乙 Bρ甲=ρ乙
C ρ甲<ρ乙 D无法判断
答案:C。
透视:此题除考查同学们对液体压强公式的理解外,着重考查同学们用数学图像处理物理问题的能力。在图像中任作一条平行于h轴(压强P相同)的直线分别交甲与乙两点。再过这两点作平行于P轴的直线交于h轴上两点,会发现h甲>h乙,并根据液体压强公式变形式:
,可知ρ甲<ρ乙,所以正确选项为C。