物理实验五——神奇而古老的力学
1.吹气成”雾” 将一小段细玻璃管在酒精灯火焰上烧软后弯成V形，成一连通器(也可采用透明细塑软管弯制)，在里面装上色水。可看到连通器内的水柱在静止时两边液面平齐(成一小压强计)。实验时用一段玻璃管(其它空心细管也行)对着V形玻璃管的a端吹气。由于a端玻璃管口的空气流速大，压强小，在大气压的作用下，V形管的水柱向a端移动(可看到V形管里a端水面明显高于b端)。如果使劲吹，则可看到a端玻璃管口有细水珠(“雾”)喷出，如图1所示，并可将V形管里的水全部吹完。此实验可说明喷雾器的原理。 2．物”钻”水管 取一段塑料软管(笔者用洗衣机排水管)，将一些硬泡沫塑料弄碎(大小应能顺利进入塑料水管为宜)，并把它们倒在桌面上。实验时将塑料软管的a端对着碎泡沫塑料，使劲甩动塑料管的b端，让它快速地做圆周运动。由于b端空气流速大，压强小，则在大气压的作用下，塑料管内形成一股气流，气流方向由a端指向b端。看到的现象是，桌面上那些碎塑料块快速地从a端的塑料管中”钻”入，而从b端的塑料管口中”跑”出来，如图2所示。 3．压强大小比较 器材：两支一次性注射器，一支为5mL，一支为2.5mL，胶皮管一小段(外径 0.8cm)，两小段细玻璃管(或透明稍硬细塑料管!注射器套针头塑料管笔)，AB胶。 制作：取1个饮料瓶盖子，在其上面打孔，直径能让大注射器的外筒紧紧套入。将大注射器外筒上的手柄剪圆(注意留有翻边)，把大注射器的外筒从盖里的孔中向盖外穿出，让注射器剪圆后的翻边卡在盖底(用AB胶再粘牢)。将两支一粗一细的一次性注射器的装针部分去除(成圆筒状)，用细玻璃管在火上烧热后在两注射器上打孔，在注射器打好的孔上分别安上玻璃管(或细塑料稍硬吸管)，并用AB胶粘牢，形成两个”三通”。在小注射器的外筒上套入一小段胶皮管后紧紧插入注射器的外筒内。装置如图3所示。 (1)”我”出”你”进 实验时将色水装入(可用注射器)图3装置的a、b玻璃管中(成两段小水柱)，对着瓶盖口往大注射器外筒内吹气。由于大注射器外筒内的气柱流速比小注射器外筒的气柱流速小，看到的现象是a玻璃管中的水柱被”顶”出玻璃管外，b玻璃管中的水柱被”吸”进小注射器外筒内。 (2)下管不喷水 将图3装置的饮料瓶盖拧在一个去掉瓶底的饮料瓶口上，实验时往瓶内倒水，如图4甲所示。看到的现象是a玻璃管中有水喷出，而b玻璃管中无水喷出，若这时用注射器向b玻璃管中注入红水，而红水立刻被吸进小注射器外筒内的水里，原理同前，不再赘述。利用本装置和上述实验方法还可做2004年人教版(必修加选修)高中物理第二册P108页练习六第(2)题实验(水流抽气机)，如图4乙所示，可说明它的使用方法和工作原理。 4．巧得两个实验 (1)大气压实验 用一个透明塑料饮料瓶(大小不限)，在瓶壁(靠底部)上打一个小孔，用一手指摁住小孔(或用透明胶带粘贴小孔)，往瓶内注满水后拧在图3装置的瓶盖上，用原来小注射器的活塞(或手指)堵住小注射器的外筒，把整个装置竖直倒放。 实验时，我们看到的现象是a、b管没有水喷出(如图5甲所示)，若松开堵小孔的手指，则a、b管中有水喷出。一堵一放，则a、b管中时无水喷出，时有水喷出，手指就像开关一样。 (2) 液体压强随深度的增加而增大 在(1)松开堵小孔的手指时，a、b管中都有水喷出。看到的现象是b玻璃管中的水柱比a玻璃管中的水柱喷得远(如图5乙所示)。 实验说明液体对侧壁的压强随深度的增加而增大。 注：要保证a、b管中喷水射程随深度增加而增大，要求H≥h，即拎高的高度不低于瓶和注射器总液体的深度。在这种装置条件下，就可以实现以喷水射程的大小来定性演示液体压强与深度的关系。 5．两船相撞 江河里的船只发生相撞事故时有发生，用简单材料可做两船相碰的模拟实验。用硬泡沫塑料做两只小船，把”船仓”挖空一些。在两船的尖端部分分别拴上橡皮筋，在水盆中装水，把两船放入水盆中，”船”上橡皮筋用透明胶带粘在水盆边上，在两船的船仓内装一些小石子，让两船有一定的”吃水线”(实验时确定)，用一个2L饮料瓶去底，并在其瓶盖上打孔后，安一段皮管，让里边的水能产生一急水流，对准两船中间冲，如图6所示。这时看到两船靠拢，并相互碰撞。实验说明：流动的液体和气体都是流速越大压强越小。船只前进，水相对船只向后流，两船如果靠得很近，水流过两船之间的狭窄水道时流速大，压强变小，于是两船外侧的水将压迫船只靠近而相撞。行驶在马路上的两辆汽车，如果靠得太近，速度不能太快，否则也会发生撞车事故。 6. 硬币漂浮 在一个装有水的盆中小心平放一枚硬币，你会发现硬币竟然漂浮在水面上。 你还可以用铁丝围一个椭圆环，把一段棉线松松地系在铁丝圈上，然后把铁丝圈在肥皂水中浸一下，再拿出来，圈上就沾上了一层肥皂水的薄膜。如果你破坏了棉线左侧的肥皂膜，棉线就被右侧的肥皂膜拉成向右的弧形；如果你破坏了右侧的肥皂膜，棉线就被左侧的肥皂膜拉成向左的弧形。如果系在铁丝圈上的是一个棉线圈，用针破坏棉线圈里的薄膜，棉线圈就会张紧成一个圆形。 这些现象表明，液体表面有收缩到最小的趋势。使液体表面收缩的这个力，我们称它为表面张力。 硬币漂浮的原因正是因为水的这种表面张力，你看到硬币周围的水面是下凹的，这说明硬币想往下沉，可绷紧的水面却把它托着。此外，由于硬币的面凹凸不平，使硬币下方形成一个空气垫，这也是硬币漂浮的一个不可忽视的原因。 7.水中”烟圈” 找一个空玻璃眼药水瓶，去掉橡皮帽，里面装进少许水，再加进几滴蓝墨水。用左手拿稳眼药水瓶，把尖口伸进脸盆的水中，略等片刻，使水盆中的水平静不动。这时，用右手十分短促地按一下瓶后的橡皮帽（注意不要推动瓶子，也不要碰动脸盆中的水），一个美丽的蓝色”烟圈”就翻滚着向水下射出了。不断按动橡皮帽，就能在水下形成一连串清晰的”烟圈”。这种水下”烟圈”由于没有冷热空气对流的干扰，比嘴吐出的烟圈更持久。 烟圈是气流漩涡的一种形式。任何一种流体从小孔内高速、间隙地冲出来时，都会形成一个个烟圈似的漩涡，这就是我们在脸盆中看到的水下”烟圈”。 8.乒乓芭蕾 在水龙头上连一段胶管，手捏胶管口，打开龙头，调整水流大小，使管口喷出直径约 10 毫米竖直向上的水柱。把乒乓球放在水柱上，它不会被冲走，而在水柱顶端不断翻腾、旋转，像在跳水上芭蕾舞。只要水流的大小和压力适当，乒乓球可以长时间在水柱上表演”舞蹈”而不会跌落。这是为什么呢？ 原来，喷到乒乓球的水流有较快的流速，所以相对于周围静止的空气来说，水流处是低压区。乒乓球始终受到周围指向水流中心的压力，这样乒乓球就被水柱”吸”住了。 9. “关”住水泡 找一个废旧热水瓶铝盖（罐头瓶盖也可），在底部中心打一个直径3—4毫米的孔。放入脸盆的水中灌满水，然后将瓶盖慢慢垂直提起，提到约 100毫米高时，从小孔中流出的水柱开始在水中激起水泡。马上把铝盖放低一些，这时奇妙的现象就产生了：刚才被水柱激起的一些水泡被”关”在水中升不上来了，而且还不向周围扩散。 气泡不上来的原因，是水的冲击抵消了水泡的浮力。那么水泡为什么不会被水冲散呢？这是因为水柱冲入水中是有速度的，根据流体速度大、压强就小的道理，周围静水的压强比水柱底下压强大，这就把水泡限制在水柱底下了。 10. 听话的火柴 取一根木梗火柴，在火柴头上包上橡皮泥，仔细调节橡皮泥的重量，使火柴能竖直悬浮于水中。把火柴放入盛满水的细口瓶中，用拇指按住瓶口，保持拇指与水之间不留气泡。当拇指稍用力下压时，火柴就沉入水底；减轻拇指的压力，火柴又从水底徐徐上升。控制拇指压力的大小，可以让火柴反复上升下降。 这是一个简单的沉浮实验。木梗火柴是多孔的，其中吸附着一定量的空气，随着瓶口拇指作用于水上的压力的改变，火柴中吸附的空气体积也随着增大或减小，使火柴的密度减小或增大，从而在水中出现浮、沉的变化。 11. “烟 圈”炮 找一张长约250毫米、宽约150毫米的硬纸，卷成一个高约150毫米的圆筒，并用胶水粘好。将圆筒两端用硬纸封好，在一端的中央部位剪出一个直径为10毫米的小圆孔，这样，”烟圈”炮就做好了。在桌上点燃一支蜡烛，在距蜡烛300毫米处架好”烟圈”炮，使炮筒中央的小孔对准烛焰。然后将筒内充满烟雾，你在炮筒底部轻轻弹几下，炮筒射出一串串的烟圈，蜡烛就被烟圈”炮弹”打灭了。 当你轻轻地弹炮筒底部时，底部的硬纸受到挤压产生振动，这个振动引起炮筒内的气体产生一股向前的气流。这股气流挟带着烟雾，来到炮筒口部时，由于圆孔周围的纸对这股气流的阻碍，使气流迅速地向圆孔集中，然后沿着圆筒边缘冲出。加上圆孔中心部分气流较急，烟雾相对较稀，所以，一串串翻滚的烟圈就形成了。远处的烛焰不得不向这小小的”龙卷风”低头。其实，炮筒内不充烟同样可以做上述实验，充烟是为了便于观察，同时也增加了趣味性。
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