改装注射器测密度实验研究
2019-10-15黄根汤金波
黄根 汤金波
摘 要:本实验用注射器和软管改装的注射器做三个实验,分别是测量液体密度,控制液体流向和探究取下橡皮帽水会流下来吗.通过三个实验可以强化对压强的理解分析,拓展一种测量液体密度的新思路.
关键词:注射器;测密度;压强
文章编号:1008-4134(2019)18-0015中图分类号:G633.7文献标识码:B
注射器是我们实验室常用的实验器材,在生活中也可以在诊所或者网络上买到.笔者利用改装注射器完成三个实验,来看看如何测量液体密度,分析压强,如何控制液体流向.
1 注射器的改装与安装
如图1所示,注射器底部两端开孔,各连接一根透明软管,接头处用热熔胶做好密封,在注射器头部用一个黄色橡皮帽堵住,注射器就改装完成.用铁架台夹住注射器,在铁架台上挂一重垂线,软管下端各放一杯子,可用透明胶把软管在杯子上固定,杯中裝有液体,实验装置即组装完成.
2 改装注射器测密度案例分析
2.1 实验一:测量老抽酱油密度
如图2所示,注射器活塞向上拉动后,密闭气体体积变大使得注射器内部和两边软管内气压小于大气压,在大气压作用下两边液体被“抽”起来了.因为水的密度ρ1=1.0×103kg/m3,则可利用水的密度已知,将水作为比较液体,利用注射器和软管内密闭气体的压强P与外界大气压强P0的关系,求ρ酱油[1]:
P0=P+ρ酱油gh1(1)
P0=P+ρ水gh2(2)
则酱油密度为:
ρ酱油=h1h2ρ水 (3)
此外由于液面上方密闭空气是相互连通的,所以他们气压相等,因此笔者抽动活塞改变液面上方气压他们是等大改变的,也就是说上式(1)(2)(3)总是成立的.因此我们就可以多次改变活塞位置,调节气压,并分别测量出两边液体高度,计算老抽酱油的密度,取平均值,从而减小误差.
2.2 实验二:控制液体流向
如图1所示,注射器内和软管中已经抽取了部分水,软管放在杯中.在左右杯中分别放有被染红的水和染蓝黑色的水.如图3所示,如果把装有红色水的
杯子提起来,会观察到红色液体就开始冲上软管,注射器内水从左向右流动.如图4所示,反过来当把装有蓝黑色水的杯子提起来红色放下时,注射器内液体又从右往左流动了.
如图5所示,分别分析A点和B点压强.
PA=P0-ρgh1
PB=P0-ρgh2
由于被抬起来h1
PB,因此液体向右流动.两者的压强差等于ρgΔh,因此左边抬起的越高,高度差越大,流动的越快.同理把左端放下,右端抬起,自然就是h1>h2,PA综上,控制液体流动表面上是抬起杯子,实际上是在调控压强变化.
2.3 实验三:取下橡皮帽水会流下来吗
如图6所示,问:若此时取下橡皮帽,会有什么情况发生?
猜测1:由于有液体压强,注射器中的水向下流出.
猜测2:由于大气压可以托起水柱,注射器中的水不会流出.
猜测3:由于大气压较大,空气反而倒灌入注射器,注射器和软管中的水流出.
笔者通过实验观察到取下橡皮帽之后,空气不断涌入注射器内,并且注射器内和两侧软管中的水全部都流了下去.看来猜想3是正确的,这是为什么呢?借助压强分析不难理解.
如图7所示,拉动注射器活塞后,其内部气压小于大气压,水就被吸上来了,此时有PPA=P+ρ水gh,
似乎由于水的压强的存在,加起来是可能超过大气压的.然而我们分析和A点处于同一水平位置的B点,根据同一深度液体压强相等可知A、B两点压强相等.而B点压强大小为
PB=P0-ρ水gΔh,则有
PA=PB因此A点向下的压强还是小于大气压的.如图8所示,取下橡皮帽后,注射器嘴A点和大气相连通,其受到向上压强就等于大气压,向上的压强大于向下的压强,因此可以看到气泡不断地向注射器内涌入.
同时由于气泡进入使得注射器内部气压增大,根据
P0=P+ρ水gh
外界大气压不变,内部气压不断增大所以液压不断减小,两侧水柱就不断下降了.
从这个实验可以总结出几点压强分析的小技巧:
(1)某点压强等于气体压强加液体压强;
(2)相互连通的液体,利用同一平面内压强相等,把分析的点转移到合适位置方便分析;
(3)同一个点若可能有动态发生,则对其两个方向的压强分别分析.
笔者利用改装注射器,一器多用分别做了三个和压强、密度有关实验.给出了压强分析的小技巧,分析了控制流向的根本原因,给出了测量液体密度的一条新思路.
参考文献:
[1]王天城.液体密度测量仪[J].物理实验,2018,38(10):64.
[2]赵京波.巧借浮力测密度[J].实验教学与仪器,2017,34(11):31-33.
[3]鲁红明.密度测量难点突破[J].物理教学探讨,2009(17):7-9.
[4]殷力群.谈谈测物质密度的原理和方法[J].物理教师,1993(05):17-19.
综上,控制液体流动表面上是抬起杯子,实际上是在调控压强变化.
2.3 实验三:取下橡皮帽水会流下来吗
如图6所示,问:若此时取下橡皮帽,会有什么情况发生?
猜测1:由于有液体压强,注射器中的水向下流出.
猜测2:由于大气压可以托起水柱,注射器中的水不会流出.
猜测3:由于大气压较大,空气反而倒灌入注射器,注射器和软管中的水流出.
笔者通过实验观察到取下橡皮帽之后,空气不断涌入注射器内,并且注射器内和两侧软管中的水全部都流了下去.看来猜想3是正确的,这是为什么呢?借助压强分析不难理解.
如图7所示,拉动注射器活塞后,其内部气压小于大气压,水就被吸上来了,此时有P PA=P+ρ水gh, 似乎由于水的压强的存在,加起来是可能超过大气压的.然而我们分析和A点处于同一水平位置的B点,根据同一深度液体压强相等可知A、B两点压强相等.而B点压强大小为 PB=P0-ρ水gΔh,则有 PA=PB 因此A点向下的压强还是小于大气压的.如图8所示,取下橡皮帽后,注射器嘴A点和大气相连通,其受到向上压强就等于大气压,向上的压强大于向下的压强,因此可以看到气泡不断地向注射器内涌入. 同时由于气泡进入使得注射器内部气压增大,根据 P0=P+ρ水gh 外界大气压不变,内部气压不断增大所以液压不断减小,两侧水柱就不断下降了. 从这个实验可以总结出几点压强分析的小技巧: (1)某点压强等于气体压强加液体压强; (2)相互连通的液体,利用同一平面内压强相等,把分析的点转移到合适位置方便分析; (3)同一个点若可能有动态发生,则对其两个方向的压强分别分析. 笔者利用改装注射器,一器多用分别做了三个和压强、密度有关实验.给出了压强分析的小技巧,分析了控制流向的根本原因,给出了测量液体密度的一条新思路. 参考文献: [1]王天城.液体密度测量仪[J].物理实验,2018,38(10):64. [2]赵京波.巧借浮力测密度[J].实验教学与仪器,2017,34(11):31-33. [3]鲁红明.密度测量难点突破[J].物理教学探讨,2009(17):7-9. [4]殷力群.谈谈测物质密度的原理和方法[J].物理教师,1993(05):17-19.