Question

某教师用“试管爬升”实验验证大气压的存在，其做法如下：取两个直径相差很小的平底试管，将细试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23所示，细试管能否在粗试管内竖直向上“爬升”，取决于开始时插入粗试管的深度，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”。

Answer 1

（1）p₀πd²/4

（2）

     h₀=4G/πd²ρ₀g

【解析】物体在平衡力的作用下运动状态不变，要往上爬升，往上的力开始时稍大于往下的力，匀速运动时就相等了。

（1）细试管在“爬升”时，受到大气对它竖直向上的压力是

F₀=p₀S=p₀πd²/4。

（2）细试管受力情况如图。

细试管刚好能“爬升”时，细试管受力平衡F₀=G+F，p₀S=G+（p₀-ρ₀gh₀）S，h₀=4G/πd²ρ₀g。