浮沉子原理
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浮沉子实验
用以演示液体浮力、气体具有可压缩性以及液体对压强的传递的仪器。它是法国科学家笛卡尔(1596—1650)所创造。它是玻璃制的小瓶体,其下端开有小孔,水可通过小孔进出瓶体。把它放入高贮水筒中,并使之浮在水面上。用薄橡皮膜把筒口蒙住并扎紧,用手按橡皮膜,筒内的水和空气是在密闭的容器内。根据帕斯卡定律,当空气被压缩时,将压强传递给水,水被压入瓶体中,将瓶体中的空气压缩,这时浮沉子里进入一些水,它的重力增加,大于它受到的浮力,就向下沉。手离开橡皮膜,筒内水面上的空气体积增大,压强减小,浮沉子里面被压缩的空气把水压出来,此时浮沉子的重力小于它所受的浮力,因此它就向上浮。当手对橡皮膜施加的压力适当时,浮沉子便悬浮在水中的任意深度上。浮沉子的浮沉是在外加压强作用下,靠改变它的重力来实现的(体积不变)。潜水艇与浮沉子升降道理相同。
浮沉子实验形式多样。一般都是通过外部压强的变化,改变浮沉子内部气体的体积,从而达到控制其沉浮的目的。制作浮沉子要掌握两个要点:第一,浮沉子内部必须有一定量的气体(因固体、液体的体积不易随压强的变化而变化);第二,要控制好整个浮沉子的平均密度,使外界压强较小时,整个浮沉子的平均密度稍稍小于周围液体的密度。
帕斯卡定律
内容:密闭液体上的压强,能够大小不变地向各个方向传递。
根据静压力基本方程(p=p0+ρgh),盛放在密闭容器内的液体,其外加压强p0发生变化时,只要液体仍保持其原来的静止状态不变,液体中任一点的压强均将发生同样大小
的变化。这就是说,在密闭容器内,施加于静止液体上的压强将以等值同时传到各点。这就是静压传递原理或称帕斯卡原理。
帕斯卡定律是流体力学中,由于液体的流动性,封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化,将大小不变地向各个方向传递。帕斯卡首先阐述了此定律。压强等于作用压力除以受力面积。根据帕斯卡定律,在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强,必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。如果第二个活塞的面积是第一个活塞的面积的10倍,那么作用于第二个活塞上的力将增大为第一个活塞的10倍,而两个活塞上的压强仍然相等。
这一定律是法国数学家、物理学家、哲学家布莱士·帕斯卡首先提出的。这个定律在生产技术中有很重要的应用,液压机就是帕斯卡原理的实例。它具有多种用途,如液压制动等。帕斯卡还发现静止流体中任一点的压强各向相等,即该点在通过它的所有平面上的压强都相等。这一事实也称作帕斯卡原理。
可用公式表示为:
P1=P2即F1÷S1=F2÷S2
浮沉子帕斯卡定律
制作方法
器材1000ml透明有盖塑料瓶,中号滴管等。
操作(1)在滴管中吸入适量的水,使其恰好能浮在水面上(用手轻点滴管的橡皮头,滴管即会沉入水中,后又缓缓浮上。
(2)塑料瓶装满水后将滴管放入,然后盖紧瓶盖(尽量做到不漏气)。
(3)用力挤压塑料瓶,可看到滴管下沉。撤去压力,可看到滴管上浮。用力得当,可使滴管停止在水中某一位置。注意瓶中水尽量装得满一些,残留的气体越少,实验效果越好。
浮沉子的巧制妙用
装置图:废饮料瓶内水面浮一小玻璃药瓶,如下图
特点:我自制的浮沉子选用如图形状的饮料瓶,材料易得不花钱;组装容易;且能进行多种实验。实验现象新奇明显,趣味性强,实验效果良好。
用途:“浮沉子”在初中物理实验教学中,用于探索或验证物体的浮沉条件:先观察到小瓶漂浮在水面上,当用力压塑料瓶时,会看到小瓶中的水面上升到红线以上,说明进入小瓶中的水增多,小瓶和瓶内水的重力变大,当重力大于浮力时,小瓶沉入水底;松手后,小瓶又会浮上水面;适当用力时,也可使小瓶悬浮在水中。
妙用:
1.该浮沉子还可用于演示“奇妙的物理现象”:教师演示时先问:“这里有一个小瓶子浮在水面,你能不用任何工具叫小瓶子沉下去再浮起来吗?”学生感到很新奇,兴趣盎然。再说我有“气功”,我叫这里面的小瓶子沉下去它就沉下去,叫它浮上来它就浮上来,看:“沉——”(用力压塑料瓶,小瓶沉下),“浮——”(松手,小瓶浮上来);我这瓶还是“魔瓶”小瓶在下沉时,先变大变长还会再变小。实验现象新奇明显,趣味性强,实验效果良好。再说明其实这里面运用了物理知识,使学生初步感受物理现象的奇妙,激发其好奇心和求知欲。2.探究潜水艇的浮沉原理:通过适当用力压塑料瓶向小瓶(潜水艇水舱)中充水或松手向外排水来改变小瓶(潜水艇)的自重,从而使其下沉或上浮。3.演示光的折射现象:当小瓶在塑料瓶的外侧时,会看到小瓶明显变大,或将塑料瓶放在字上,会看到瓶下的字变大且位置变高;小瓶在下沉时,先变大变长再变小。
4.演示气体压强与体积关系:当用力压塑料瓶时,瓶内气体体积变小压强变大,进入小瓶中的水增多,说明瓶内气体压强变大体积变小;松手后,小瓶内水量变少,说明了瓶内气体体积变大压强变小。