小试管逆流而上实验——别样虹吸-2012.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 p0 gh 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 p0 gh 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