正文 第15章 壓力與壓強實驗的操作與改進設計(2)(1 / 3)

即p1=p2而p1=p0p2=ρgh所以p0=ρgh比較法如圖12甲所示,取一支兩端開口的玻璃管插在水銀槽中,這就構成了一個連通器。根據連通器原理,管內外水銀麵相齊,這是因為管內外液麵受到相等的大氣壓的作用,現比較甲、乙兩種情況,考慮水銀槽液麵上方的情況。圖甲管內隻有空氣沒有水銀柱,圖乙管內隻有水銀沒有空氣。圖乙的情形相當於取去圖甲管內的空氣而用高度為h的水銀柱而代之。兩種情況下水銀都處於平衡,可見圖甲管內的空氣壓強(即大氣壓強)一定和圖乙管內的水銀柱所產生的壓強相等,即p0=ρgh。

壓強疊加法

在水銀內取兩點A、B,兩點都與玻璃管下口邊緣等高,並離水銀槽水銀麵△h距離(如圖13)。根據液體內部壓強分布特點及壓強疊加規律,A點的壓強等於外界大氣壓與深度為△h的水銀所產生的壓強之和,即pA=p0+ρg△h因為玻管水銀麵上方沒有空氣。B點在其水銀麵下深度為(h+△h)處,故有pB=ρg(h+△h)因為A、B等高,故有pA=pB即p0+ρg△h=ρg(h+△h)p0=ρgh反證法

利用這一方法需要設計一個反證性實驗:將托裏拆利實驗裝置罩入真空罩內,如圖14所示。當用抽氣機將真空罩內空氣抽出時,可見“托管”內水銀柱逐漸降低。由此推證:假如水銀槽水銀麵沒有空氣,管內外水銀麵上方均為真空。由連通器原理,“托管”內外水銀麵必相齊。可見,“托管”內高出的水銀柱完全是外界大氣壓強所支持的。外界大氣壓強多大,相應的,管內就有多高的水銀柱與之平衡。

所以,大氣壓強的大小恰好等於管內水銀柱所產生的壓強。

上述五種方法中,一、二兩法抽象思維要求較高,難度較大。但這與本章前麵曾出現過兩次的小液柱,小液片的設想相一致,采用此法利於學生想象能力的培養。三、四兩法比較直觀,較易為學生接受。至於五法,宜與其他方法相結合而給出。使正反現象交替出現,正反論證相互補充。可使學生更為信服地接受實驗原理。

“汽車重力發電”的原理和模擬實驗

“汽車重力發電”是近年來國外研製的利用行進中的汽車的重量來發電的新型技術。根據《科學技術社會辭典(STS辭典)·物理冊》介紹的內容:這種發電技術,是在路麵敷設一組760毫米寬的金屬板(稱衝擊板),板比路麵高出約20毫米。每個板的下麵,都設有一個充滿液壓流體的橡膠容器。當汽車從板上駛過時,車重產生的壓力,會使橡膠容器中的流體,以很大的壓力通過埋在地下的液壓管道,流到發電廠,並帶動發動機發電。然後,流體再從發電廠經地下管道,重新流回到橡膠容器中,使此過程反複進行。

據計算,每輛一噸重的汽車,駛過這樣的衝擊板時,可發出約15千瓦小時的電能。因此,現代化城市的交通幹線路口,是安裝這種發電設備的理想場所。在美國,紐約市已實驗安裝了這樣一套發電設備,並於1981年開始供電,其每度電的價格,比現在美國國家平均電價的1/4還要低。當然這種發電技術,現在仍處於研究、試行中。

圖15就是“汽車重力發電”的示意圖。它主要由活塞室、壓力室、尾水室三個主要部分組成,另外還有兩上單向閥K1、K2和一些導流管道,發電設備的水輪機安裝在尾水室的上端,由從壓力室至尾水室管道端口的噴嘴,噴流時推動它旋轉。

當汽車駛上衝擊板A時,由於活塞受到向下的力作用,活塞室內的液體壓力增大,就使原來打開的單向閥K2關閉,原來關閉的單向閥K1打開。活塞室內的液體經過K1流向了原來液麵較高的壓力室。而壓力室壓力增加後,液體隻能從通向尾水室的輸送管道中衝出,經過噴嘴,高速衝擊水輪機旋轉,並泄入尾水室。

汽車離開衝擊板後,活塞上壓力消失,由於壓力室液麵高於活塞室液麵,單向閥K1重新關閉,阻斷了壓力室液體向活塞室的回流。同時,由於尾水室液體增加,液麵升高,開啟單向閥K2,就把泄入尾水室的液體,重新送回到了活塞室,壓縮活塞室內的氣體,使活塞重新升起至原來的位置,完成了一次工作循環。隻要活塞的麵積不太大,當衝擊板受到壓力時,是可以在活塞室內獲得較大的壓強,在噴嘴處形成高壓液流的。

根據這個原理圖,我們製作了“汽車重力發電”的模擬實驗裝置。

將倒置的插有細玻璃管的廣口瓶和注射器針筒,用軟管相連構成活塞室,如圖16(注意:與針筒相連的玻璃管在廣口瓶中,一定要高出液麵。否則,尾水室液體返回時,會將液體壓入到針筒內,使針筒內壁附著水珠,增大摩擦)。壓力室和尾水室可用普通封閉容器替代,隻要每個容器上有一對出、入水口即可。我們仍用帶有橡膠塞的廣口瓶代之,在橡膠塞上插了兩根玻璃管,分別為液體的流出口和流入口。單向閥K2,由於對其密封性要求較低,可以直接使用市售的普通止回閥。而單向閥K1,必須保證當壓力室壓力大於活塞室時,完全無回漏現象,因此對它的密封要求,比對K2的要求高得多。這樣,一般的止回閥已無法使用,可采用低壓的液壓單向閥,如DIF-LIOH(舊型號)或A-H10L(新型號),我們在實驗中采用的就是前者。它們均屬於內簧式單向閥,開啟壓力為04×105帕。當實驗使用直徑5厘米的針筒,並加放10千克砝碼時,砝碼產生的壓強大於05×105帕,因此,隻要活塞室和壓力室的液麵高差不大於1米,這是完全可以將該閥門打開的。我們在實驗中,用水作為液壓媒質,砝碼和針筒的規格均如上所述,可使活塞壓縮2厘米左右的距離,液體衝擊水輪機,使之快速轉動的現象是非常清晰的。