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(2013?天津)某教师用“试管爬升”的实验装置来实验验证大气压的存在,其做法如下:取两个直径很小的平底试管,将细管底部插入装满水的粗试管内,再将两试管迅速倒置(保持竖直),会看到细试管慢慢“爬进”粗试管里,如图所示,细试管能否在粗试管内竖直向上“爬升”,取决于开始时细试管插入粗试管的深度,如果插入过浅细试管就不能自动上升.
若细试管的重为G、外直径为d,水的密度为ρ0,大气压强为p0,请你通过推导计算,回答下列问题:
(1)细试管在“爬升”时,受到大气对它竖直向上的压力是多少?
(2)细试管开始插入的深度h0满足什么条件时,它刚好可以向上“爬升”?
分析:(1)先根据圆的面积公式求出大气压作用的面积,根据压强公式求出细试管在“爬升”时受到大气对它竖直向上的压力;
(2)先对细试管受力分析,细管刚好能“爬升”时细试管受力平衡,根据力的平衡条件得出等式,细试管受到上方受到的压强等于大气压减去水产生的压强,根据压强公式表示出受到的力,把细试管的面积公式代入等式即可得出答案.
解答:解:(1)大气压作用的面积:
S=πr2=π(
d
2
)2=
πd2
4
,
根据p=
F
S
可得,细试管在“爬升”时受到大气对它竖直向上的压力:
F0=p0S=p0×
πd2
4
=
p0πd2
4
;
(2)细试管受力情况如图所示:

细管刚好能“爬升”时,细试管受力平衡,则
F0=G+F,
细试管受到水的压强:
p水=p0-ρ0gh0,
细试管受到水的压力:
F=p水S=(p0-ρ0gh0)S,
∴p0S=G+(p0-ρ0gh0)S,
解得:h0=
G
ρ0gS
=
G
ρ0g×
πd2
4
=
4G
πd2ρ0g
.
答:(1)细试管在“爬升”时,受到大气对它竖直向上的压力是
p0πd2
4
;
(2)细试管开始插入的深度h0不大于
4G
πd2ρ0g
时,它刚好可以向上“爬升”.
点评:本题考查了固体压强公式、液体压强公式和圆的面积公式的应用,关键是会对刚好可以向上“爬升”的细试管进行受力分析并利用力的平衡得出等式,难点是细试管上方受到的压力,注意此时要考虑大气压.
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