对“水的平抛”的几点释疑

2010-01-20潘路

物理教师 2010年11期

关键词：水会口香糖橡胶

潘路

(南京航空航天大学附属高级中学,江苏南京 210007)

对“水的平抛”的几点释疑

潘路

(南京航空航天大学附属高级中学,江苏南京 210007)

“用水平喷出的细水柱显示平抛运动轨迹”是高中新课标教科书物理必修2中向学生推荐的“探究平抛运动的规律”分组实验的方法之一.实验装置如图1所示,只要在装有水且口朝下的瓶口塞进直立与有直角弯头的两根管子就会有水流水平射出,显示出平抛运动的轨迹.它选材简单、可操作性强,但是该实验使学生产生的疑惑却很多,教师要抓住这点激发学生学习物理的兴趣,指导学生进行探究式实验,深挖该实验中包含的丰富的流体力学知识,特别是伯努利方程,进而培养学生的观察能力、实验能力和创新能力.

1 为什么水会先从乙管流出

如图1实验装置,设瓶内C处的空气压强为pC,大气压为p0,液面C与甲管A端的距离为h1,与乙管B端的距离为h2,A端与B端的高度差为Δh.实验之前甲、乙两管下端由橡胶塞密封,当拔掉橡胶塞时水会从哪个管口流出,下面采用叶片法分析.

1.1 假设先拔去乙管的橡胶塞

对B端叶片进行压强分析,如图2所示,

图2

再拔去甲管的橡胶塞,对A端叶片进行压强分析,因为实验装置中h1＜h2,

所以A端叶片下方的压强大于上方的压强,空气将由甲管进入,此时C处的空气压强逐渐增大,由pC增大为pC′,再对B端叶片进行压强分析,得

此时B端叶片上方的压强大于下方的压强,所以水将由乙管流出.有水流出后,C处液面下降,pC+ρgh1再次小于p0,空气仍由甲管进入,实验如此循环下去,所以乙管出水,甲管进气.

1.2 假设先拔去甲管的橡胶塞

对A端叶片进行压强分析,

再拔去乙管的橡胶塞,对B端叶片进行压强分析,因为实验装置中h1＜h2,

所以B端叶片上方的压强大于下方的压强,水将由乙管流出,此时C处的空气压强逐渐减小,由pC减小为pC′,且液面由h1减小为h1′,再对A端叶片进行压强分析,得

此时A端叶片下方的压强大于上方的压强,所以空气将由甲管进入.有空气进入后,C处空气压强增大,使得pC+ρgh2再次大于p0,实验由此循环下去,所以乙管出水,甲管进气.

由此可得实验中的水总是由插入液体浅的管子流出.

2 为什么水会从乙管以稳定的速度流出

本刊2007年第1期,《谈“水的平抛”实验中的细管》一文认为根据伯努利方程可得出水的流速为其中φ为流速系数,Δh为甲、乙两管插入液体内的高度差,如图1所示.

实验材料:可乐瓶、吸管(两根)、量筒(500m l,100m l)、游标卡尺、直尺、秒表、重垂线、口香糖、塑料盆.

先用烧红的钢丝在可乐瓶盖烫两个和吸管直径差不多的圆孔,插入吸管并用嚼过的口香糖封住吸管和可乐瓶的接口处,再封住吸管的下端,防止灌入的水流出,灌满水后拧紧瓶盖.先拔去乙管下端的口香糖,观察有没有漏水,检查气密性.再拔去甲管下端的口香糖,此时水从乙管以稳定的速度流出.

在“水的平抛”实验进行的过程中将乙管向上移动,当A、B两端处于同一水平线时,我们发现水仍然从乙管流出,只是速度变小些,如果依据这时Δh= 0,那么速度应该为零才对.再将乙管向上移动,当乙管B端超过甲管A端时,如图3所示,水还是从乙管流出,如果按照公式,这时水应该由甲管流出才对.我们知道实验现象是事实,是不可能错的,那就是理论分析不正确,到底错在哪里呢?