小试管逆流而上实验——别样虹吸.ppt

,小试管逆流而上实验别样虹吸,新概念基础物理,河北 保定 河北大学,（2012 修订）,王 绍 符,别样虹吸,如图所示： 在一个较大的容器的底面上打一个圆孔. 取一根粗细长短适当、两端开口的玻璃管，插入打好孔的橡皮塞的孔中.然后像图示的那样，用此橡皮塞将玻璃管固定在容器底面上的那个圆孔中. 另取一只长短粗细合适的大试管，口朝下套在玻璃管外，并设法像图示的那样将大试管固定，但管口与容器底面要留有缝隙.,别样虹吸,往容器中灌水，在玻璃管与大试管的夹层中也会有水进入，且水面会与容器中的保持相平. 当水淹没玻璃管顶端之前，不会有水从玻璃管下端的管口流出. 一旦水没过玻璃管顶端，充满大试管，水便会从玻璃管下端的管口流出，而且一直到容器内的水全部流完为止.,别样虹吸,往容器中灌水，在玻璃管与大试管的夹层中也会有水进入，且水面会与容器中的保持相平. 当水淹没玻璃管顶端之前，不会有水从玻璃管下端的管口流出. 一旦水没过玻璃管顶端，充满大试管，水便会从玻璃管下端的管口流出，而且一直到容器内的水全部流完为止.,这个实验中的玻璃管外套以大试管，就构成了“在顶部将两个容器连接了起来”的虹吸管，只不过不是常规的两个容器左右并列，而是“别样”的内外套装.,别样虹吸,小试管逆流而上,选大小两个试管，小试管要能够插入大试管，且间隙要合适，既不能太紧，也不能太旷.,选大小两个试管，小试管要能够插入大试管，且间隙要合适，既不能太紧，也不能过大太旷.,在大试管中装满水，再将小试管插入其中，让水自然溢出.然后同时握住两个试管，将其快速翻转，再放开小试管.,选大小两个试管，小试管要能够插入大试管，且间隙要合适，既不能太紧以致小试管在其中活动不便，也不能过大太旷.,在大试管中装满水，再将小试管插入其中，让水自然溢出.然后同时握住两个试管，将其快速翻转，再放开小试管.,这时我们会看到，水沿着两个试管的夹层顺流而下，而小试管则逆流而上，直达大试管管顶. 这就是有名的“逆流而上的小试管实验”.,这是可以说也是虹吸现象. 图a所示小试管在大试管中，上升的路径，可视为构成套装虹吸管的内管. 与之等效的左右并列形式如图b所示. 此处的小试管如同一个活塞插在左臂管口之中.,等效为并列形式，但不会改变小试管的受力情况.小试管在水平方向受力平衡自不待言，在竖直方向受三个力： 一是重力G,方向向下； 二是大气压力F1=p0S（S表示小试管的横截面积,下同）,方向向上； 三是水的压力F2，根据压强差公式，在静态的情况下，F2 =（p0gh）S.,根据牛顿定律，在平衡的条件下应有,式左端向上的大气压力与向下的水的压力之差，可视为克服小试管的重力使其上升的动力，化简后可得,可以看出上式中的hS就是小试管插入大试管时没入水中的体积（也就是小试管排开的水的体积）.,这也就明白无误地告诉我们，在此情况下，翻转后，小试管仍平衡，水也不流动.,当初翻转之前，小试管插入大试管时，若恰好平衡，则有下列关系,可以想像用等重量的水来代替小试管，置换其在虹吸管中的位置，如图c虹吸管中画有斜线的水柱所示. 如此置换，虹吸管两边液面恰好相平，且等压，符合平衡条件.但是，这种平衡是不稳定的，是理想情况.,要保证翻转后小试管上升而不下落，需要在做此实验之初，将大小试管翻转之前，在将小试管插入大试管水中时，使插入的深度大于小试管平衡浮于水中的深度.,这样翻转之后，小试管受的三个力中重力 G 和大气压力F1= p0S 都不变，而水对小试管的压力F2 = (p0gh)S 将因 h 的增大而减小.,小试管失衡上升.,因而克服小试管的重力使其上升的动力增大,增加小试管插入的深度，就相当于图c中的虹吸管左臂画有斜线的水柱上移，如图d所示. 结果形成两边管口液面虽然等压而不相平.因而失衡，水从右臂下落，小试管在左臂上升.,增加小试管插入的深度，就相当于图c中的虹吸管左臂画有斜线的水柱上移，如图d所示. 结果形成两边管口液面虽然等压而不相平.