談求解液體壓強的另一種思維方法

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來源: 高中學習網(wǎng)

在求容器底部受到的壓強的大小時,一般用液體的壓強公式P=ρ液gh來考慮。但在實際的求解過程中,會發(fā)現(xiàn):對于某些條件或情況下的求解問題,應(yīng)用公式P=ρ液gh來考慮不是很方便,如果思路不對還會出現(xiàn)錯誤的結(jié)論。若用壓強的定義式來考慮,并來求解某些情況下的疑難問題,將有意想不到的收獲。

在此,有必要先談一下應(yīng)用公式來考慮有關(guān)液體壓強問題的可行性。學生在求液體對容器底部的壓力時,都懂得先要根據(jù)液體的壓強公式P=ρ液gh ,求出容器底部受到的壓強,然后用壓強的定義式,經(jīng)過變形后得到F=PS ,再來求容器底部受到的壓力。假設(shè)我們已經(jīng)知道液體對容器底部的壓力的大小,當然可以用定義式來求容器底部受到的壓強。再說液體的壓強公式P=ρ液gh 也是由定義式推導(dǎo)出來的,所以在某些情況下,可以用壓強的定義式直接求液體產(chǎn)生的壓強,且解決某些疑難問題將極為方便。關(guān)鍵是要掌握方法、技巧及題設(shè)條件(一般需判斷F底與G液的大小關(guān)系)。

有些學生雖然知道可以用公式來考慮容器底部受到的壓強大小 ;但他們很少去比較容器底部受到的壓力F與容器中液體的重力G液的大小,因而問題往往難以解決。比如有這樣一道選擇題:將質(zhì)量相等的水、煤油、水銀分別裝入底面積相同的不同容器中,且容器放在水平桌面上,如圖1所示,試比較三容器底部受到液體壓強的大小關(guān)系。

A. P水 >P煤油 >P水銀

B. P水銀 >P水 >P煤油

C. P水 > P水銀 >P煤油

D. 無法判斷

解決此問題時,如果應(yīng)用公式P=ρ液gh來考慮,很容易選擇錯誤的答案D。如果應(yīng)用公式,且利用容器底部的壓力與所裝液體的重力大小關(guān)系來考慮,就很容易選擇出正確的答案C。

由于容器的形狀不同,則容器底部受到的壓力與所裝液體的重力大小關(guān)系就不一樣。因為裝水的容器底面積大于上表液面積;又水與容器側(cè)壁存在相互作用的力,且兩側(cè)壁對水作用的合力方向是豎直向下的,因而水除了全部壓在容器底部外,容器底部還要承受側(cè)壁對水豎直向下方向的作用力,所以裝水容器底部受到的壓力大于水的重力(即F底>G水)。裝煤油的容器底面積小于上表液面積,則煤油除了一部分壓在容器底部外,還有另一部分壓在側(cè)壁,所以裝煤油的容器底部受到的壓力小于所裝煤油的重力(即F底<G煤油)。裝水銀的容器底面積等于上表液面積,則水銀全部壓在容器底部,且容器側(cè)壁與 水銀不存在豎直方向的相互使用力,所以裝水銀容器底部受到的壓力等于水銀的重力(即F底=G水銀)。

其實,根據(jù)同學們求容器底部受到液體壓強和壓力的常規(guī)方法,很容易推導(dǎo)上述三個關(guān)系式。

因F底=PS=ρ液ghS=ρ液gSh,這里表達式中的Sh表示的物理意義是如圖2各容器中兩條豎直虛線間與容器底部及液體上表面所圍圖形的體積,則ρ液gSh表示的是假想所圍圖形的液體重力。觀察所圍圖形體積的大小后,再與容器中液體的體積作比較,可得到:

Sh水>V水、Sh煤油<V煤油、Sh水銀 =V水銀, 所以, 裝水的容器底部受的壓力F底>G水、裝煤油的容器底部受的壓力 F底<G煤油、裝水銀的容器底部受的壓力F底=G水銀。

若再在三容器中放入質(zhì)量相同的同一小木塊,如圖3所示。試比較三容器底部增大的壓強。如果用公式P=ρ液gh 來求解此問題,就必須考慮各容器中液面上升的高度,則很難作出正確的判斷。若根據(jù)容器的形狀和上述分析方法可知,裝水容器底部增大的壓力ΔF水底>G木、裝煤油的容器底部增大的壓力ΔF煤油底<G木、裝水銀的容器底部增大的壓力ΔF水銀底=G木。 則很容易得到ΔF水底>ΔF水銀底 >ΔF煤油底 。

如果運用以上思維方法考慮液體壓強的問題,就能很方便地解決許多疑難問題:

在學習過程中,同學們?nèi)绻?jīng)常換一種角度去思考問題,必有許多意外的收獲,不僅可增強同學們的學習熱情,而且有助于更好地掌握知識。


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