實驗(2)兩個裝置對在一起,實質上是實驗(1)水平方向的特例。用注射器抽氣,更減小了氣體壓強,產生的壓力差非常大,有力地證明了大氣壓的存在。
做對比實驗,用鉛絲一捅,衛生紙稍鬆,F氣等於大氣壓的托力F托,在G砝作用下自然膠片突然落下。
實驗成功的關鍵是容器密封和容器內外氣體有壓強差,容器密封越嚴,內外氣體壓強差越大,效果越明顯。實驗(1)選用漏鬥和膠片是因為容積小,口徑大,膠片彈性好,手指一按就可改變氣體體積,降低器內氣體壓強產生壓強差,容易保證實驗成功。
(2)思考
①物理教學必須以實驗為基礎。應大力倡導研究,已有實驗,發現新實驗方法。
②培養學生的創造思維能力,實驗具有獨特作用、演示大氣壓在空間各種方位的實驗設計,通過聯想、驗證,不僅能培養學生的發散思維能力,同時也訓練學生的觀察、實驗、分析、概括能力。
③實驗用漏鬥和膠片,都是實驗前可以計算出來的,經實驗驗證完全正確,這是很有意義的嚐試。
④取材於生活用品,使實驗更貼近學生實際,不覺神秘,反而感到親切,容易動手動腦,利於觀察思考,激發學生的興趣。
⑤實驗(二)配合注射器可作玻-馬定律的演示實驗,生動有趣。
利用大氣壓把水抽到高處的實驗
試驗設計見圖24:用橡皮塞將無色透明塑料瓶口塞緊,在橡皮塞內打孔並在孔內插上一根細玻璃管,在瓶側壁偏上方打孔,用軟塑料管粘緊,把塑料管與注射器連接,實驗時把瓶倒放入水中,水不會從玻璃管上端流出,然後用力向外拉動注射器活塞,就可看到水在大氣壓作用下從玻璃管上端噴出。
水能被吸到多高
在一個標準大氣壓下,用圖25所示的活塞式水管能把水吸到多高呢?實驗設計如下:
假定活塞與管壁的接觸是光滑緊密的——不漏氣的,那麼這個問題看上去很簡單。人們通常認為,當管內水柱上升到最大高度時活塞的下方將出現真空,如圖26,由平衡條件推知此時水柱產生的壓強等於1標準大氣壓,即等於076mHg,於是有:ρ水gh水=ρ汞gh汞,得到:h水=ρ汞ρ水h汞=136×076=1034m。
然而,這一結果跟實驗情況往往有很大的差異,即使活塞絕不漏氣,這種差異也會明顯地存在。為什麼呢?原因很簡單,是因為活塞的下方絕對不可能出現真空,而是充滿了水汽,而且,由於通常活塞的上升速度不是太快,活塞下方的水汽接近飽和狀態,水汽的存在使水柱能達到的最大高度(稱為吸程)小於上述數值。小多少呢?讓我們算一算。
設水溫為t,相應的飽和水汽壓為p,水柱上升到最大高度h′水時,有:
h水=(p0-p)ρ水g,其中p0=076mHg,ρ′水=10×103kg/m3,g=98N/kg。
由上式可知,水溫t越高,相應的飽和汽壓p越大,吸程越小,下表列出了幾組典型數據,揭示了吸程隨水溫減小的關係。
水溫t(℃)020406080100飽和汽壓p(mmHg)458175455321493235512776000吸程(m)102710109588315510顯見,當水溫較低時,實際吸程與理想值1034m相差不多,當水溫超過40℃時,吸程就顯著下降了。愈是接近100℃,吸程的溫度變化率△h△t越大,特別當水溫達100℃時,h=0,這意味著什麼?這顯然是說100℃的水電抽不上來的,除非活塞保持快速上升運動。
由此我們可以進一步得出下麵幾條結論:①敞口容器中的液體達到沸點時,不能被向上“吸”;②密閉容器中的液體也不能被往上“吸”,兩條結論的根據是一致的:這時管內液麵上方的飽和汽壓與管外液麵上方的空氣壓強或飽和汽壓相等。
在火電站的熱力係統中,全部水和汽都被封閉在一個龐大的循環回路中,其中的工作物質——水,不斷地進行著液態與飽和汽態之間的狀態轉換。同時在水泵的作用下,水的豎直高度也進行著周期性的變化,在循環過程中,為了把位於低處的水箱裏的冷凝水或預熱水往高處傳送,必須依靠水泵,筆者看到,所有的水泵都是安裝在水箱的底部,而不是安裝在水箱頂部或頂部上側的管道中,這樣可以借助水的落差和前一個水箱中的飽和汽壓把水壓入泵體內,然後再利用葉輪的強大推力把水“揚”到高處,這種水泵,技術上叫壓水泵。在封閉係統中,要把水向高處傳送,必須采用壓水泵,而不可采用吸水泵,因為吸水泵在這裏已失去“抽”、“吸”的力學條件。