内容正文:
第2章 大气与气候变化
大气压强
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定义 大气对浸在它里面的物体的压强叫做大气压强,简称大气压
或气压
产生原因 包围地球的空气由于受到重力的作用,而且能够流动,因而
空气对浸在它里面的物体产生压强,空气内部向各个方向都
有压强,且空气中某一点向各个方向的压强大小相等
存在证明 ①马德堡半球实验;②覆杯实验;③瓶吞鸡蛋实验
一、大气压强
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应用 生活中:①钢笔吸墨水;②吸管吸饮料;③针管吸药液;④
瓷砖上的塑料吸盘
生产中:①活塞式抽水机;②离心式水泵
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二、利用大气压的知识解释有关现象
在实际生活和生产中有许多利用大气压来工作的装置和现象,如钢
笔吸墨水、抽水机抽水、高压锅的设计等。利用这些知识还可以解释许
多生活中的相关现象,例如用吸管喝饮料,当用力吸吸管时,吸管内的
气压减小,饮料就在外界大气压的作用下被压进吸管,从而喝到饮料,
而并非我们平常说的吸进吸管。
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生活实验证明大气压存在:
实验一:模拟马德堡半球实验
两个皮碗对口挤压,然后两手用力往外拉,发现要用较大的力才能
拉开。马德堡半球实验和模拟实验的共同点是:将金属球内和皮碗内的
空气抽出或挤出,使金属球内和皮碗内空气的压强减小,而外界的大气
压强就把它们紧紧地压在一起,要用较大的力才能拉开,这就有力证明
了大气压强的存在。
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实验二:“瓶吞蛋”实验
用剥了壳的熟鸡蛋堵住广口瓶口,实验前用手轻轻用力,不能将鸡
蛋完整地压入瓶内。再将点燃的棉球扔入装有细沙(防
止烧裂瓶底)的瓶中,迅速将该熟鸡蛋塞住瓶口,待火熄灭后,观察到鸡
蛋“嘣”的一声掉入瓶内。上述实验,由于棉球燃烧使瓶内气压升高,
而骤冷又会使气压迅速降低,当瓶内压强小于瓶外大气压强时,鸡蛋在
大气压强的作用下,被压入瓶内。
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实验三:“覆杯”实验
玻璃杯内装满水,用硬纸片盖住玻璃杯口,用手按住,并倒置过
来,放手后,整杯水被纸片托住,纸片不掉下来。该实验玻璃杯内装满
水,排出了空气,杯内的水对纸片向下的压强小于大气对纸片向上的压
强,因而纸片不掉下来。
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分析上述三个实验,不难理解大气压强存在的问题。更深入研究:
“瓶吞蛋”表明大气竖直向下有压强,“覆杯实验”表明大气向上有压
强。因而显示出大气压强的特点:大气向各个方向都有压强。
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虹吸是生活中最常见的物理现象之一。虹吸原理就是连通器的原理,加在密闭容器里液体上的压强,处处都相等。而虹吸管里灌满水,没有气,来水端水位高,出水口用手掌或其他物体封闭住,此时管内压强处相等。打开出水口,虽然两边的大气压相等,但是来水端的水位高,压强大,推动来水不断流出出水口。分析上述现象,其原理是由于液态分子间引力与位能差所造成的,即利用水柱压力差,使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力,水会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等,容器内的水面变成相同的高度,水就会停止流动。利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。
装置示意图实验四:“虹吸现象”
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例1 如图所示,一端封闭的玻璃管内水银面的上方留有一些空气,
当外界大气压强为1标准大气压时,管内水银柱高度l1小于76 cm,此时弹
簧测力计示数为F1。若在水银槽中缓慢地倒入水银,使槽内水银面升高
2 cm,则玻璃管内的水银柱高度l2和弹簧测力计的示数F2应满足( C )
C
A. l2=l1,F2=F1 B. l2>l1,F2>F1
C. l2<l1,F2<F1 D. l2<l1,F2>F1
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解题思路 由题意可知,管内气体压强与水银柱压强之和等于外界大
气压,即p空气+p水银柱=p0,加入水银后,管内空气体积变小,压强会变
大,而大气压不变,故p水银柱变小,所以l2<l1;同样由题意可知,弹簧秤
的示数是等于管内水银柱的重力(以管外水银面为参考面)再加上试管的重
力,相对原来管内水银柱长度变小了,故其重力变小,则弹簧秤的示数
F2<F1。故答案为C。
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例2 一端开口、一端封闭的玻璃管,开口向下插入水银槽中,不
计玻璃管的重力和浮力,用竖直向上的力F提着保持平衡,此时管内外水
银面高度差为h(如图所示)。如果将玻璃管向上提起一段距离,待稳定后,此时的F和h与刚才相比( A )
A
A. F会增大、h也增大
B. F会增大、h却不变
C. F会不变、h却增大
D. F会不变、h也不变
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解题思路 试管向上提时,管上方空气质量不变,体积变大,故试管
内气体压强变小。由于试管上端压强变小,h将会增大,增大的h还是由
大气压支持的。对试管作受力分析得:F+p试管内气体S=p0S,现在p试管内气
体变小,则F会变大。综合上述分析,F会变大、h也会变大,只有选项A
符合题意。故答案为A。
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例3 小丽想要探究“气体分子对器壁的压强规律”,她首先做了如下实验:
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如图,将托盘天平的左盘扣在支架上,调节天平平衡后,将一袋绿
豆源源不断地从同一高处撒到左盘上,发现天平指针偏转并保持一定角
度,左盘受到一个持续的压力。
容器中气体分子碰撞器壁的现象与上述实验现象十分相似。可见,
容器中大量气体分子不断碰撞器壁时也会产生一个持续的压力,而
面积上所受的压力就是气体分子对器壁的压强。
单
位
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(1)上述过程中运用的科学方法主要有 法。
(2)气体分子对器壁的压强与哪些因素有关呢?
①小丽对该问题进行了如下简化:
a.容器为长方体;
b.容器中的气体分子不发生相互碰撞;
c.容器中气体分子分为6等份,每一等份中所有气体分子均与器壁的
一个内表面垂直碰撞;
d.所有气体分子的速度均等于它们的平均速度v;
e.所有气体分子与器壁的碰撞均为完全弹性碰撞(详见②中“c”)。
类比
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②已知每个气体分子的质量为m,单位体积中的气体分子个数为n0。
小丽推导出了气体分子的数学表达式。她的推导过程如下(请将推导过程
填写完整):
a.单位体积垂直碰撞到任一器壁的气体分子数n= ;
b.Δt时间内垂直碰撞到某一器壁ΔS面积上的平均分子数ΔN
= ;
c.由于是完全弹性碰撞,因此ΔS面积上所受的平均压力F与Δt的乘积
为:FΔt=ΔN•2mv;
n0vΔtΔS
d.气体分子对器壁的压强公式为:p= 。
n0mv2
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解题思路 容器中大量气体分子不断碰撞器壁时也会产生一个持续的
压力,而单位面积上所受的压力就是气体分子对器壁的压强。
(1)上述实验过程中,把气体分子运动与绿豆运动类比,运用的是类
比法。
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(2)a.由题知,单位体积中的气体分子个数为n0,容器中气体分子分为
6等份,每一等份中所有气体分子均与器壁的一个内表面垂直碰撞,则单
位体积垂直碰撞到任一器壁的气体分子数为。
b.由题知,单位体积中的气体分子个数为n0,Δt时间内气体分子走过
的长度L=vΔt,长度为L、底面积为ΔS的长方体体积是vΔtΔS,包含的气
体分子数为n0vΔtΔS,在Δt时间内撞击器壁ΔS面积上的平均气体分子数:
ΔN=n0vΔtΔS;
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d.由c知道,FΔt=ΔN•2mv=n0vΔtΔS•2mv=n0vΔtΔSmv,所以F=
n0vΔSmv,
气体分子对器壁的压强:
p===n0vmv=n0mv2。
故答案为:单位 (1)类比 (2)
n0vΔtΔS n0mv2
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三、流体压强与流速的关系
气体流速大的位置压强小;流速小的位置压强大。液体也是流体,
它与气体一样,流速大的位置压强小;流速小的位置压强大。轮船行驶
中不能靠得太近就是这个原因。
总之,对于流体来说,流速越大的位置压强越小,流速越小的位置
压强越大。
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生活中跟流体的压强相关的现象:
(1)窗外有风吹过,窗帘向窗外飘。
(2)汽车开过后,路面上方尘土飞扬。
(3)踢足球时的“香蕉球”。
(4)打乒乓球时的“旋转球”等。
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生活中与流体压强相关问题:
在实际生活和生产中有许多利用流体压强跟流速的关系来工作的装
置和现象,如飞机的机翼形状、家用煤气灶灶头工作原理、小汽车外形
的设计等。利用这些知识还可以解释许多常见现象,如为什么两艘船不
能并排行驶、列车站台上要设置安全线等。
解答方法:(1)首先要弄清哪部分流速快,哪部分流速慢。
(2)流速快处压强小,压力也小,流速慢处压强大,压力也大。
(3)受压力差作用而产生各种表现形式和现象。
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例4 如图是非洲草原犬鼠洞穴的横截面示意图,犬鼠的洞穴
有两个出口,一个是平的,而另一个则是隆起的土堆,生物学家不是很
清楚其中的原因,他们猜想:草原犬鼠把其中一个洞的洞口堆成了包
状,是为了建一处视野开阔的瞭望台,但是如果这一假设成立的话,它
又为什么不在两个洞口都堆上土包呢?那样不是有两个瞭望台了吗?实
际上两个洞口形状不同,决定了洞穴空气的流动方向。吹过平坦表面的
空气运动速度小,压强大;吹过隆起表面的空气流速大,
压强小。因此,地面上的风吹进了犬鼠的洞穴,给犬鼠带
来了阵阵凉风。
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请回答下列问题:
(1)在图上标出洞穴中的空气流动的方向。
草原犬鼠的一个洞口很平坦,而另一个洞口处有凸起的土堆,这样当空气流经两个洞口时,洞口表面处空气的流速会不同,所以洞口处的气体压强会不同,洞内的空气就会从气压大的一端流向气压小的一端,给犬鼠带来了阵阵凉风。
(2)试着运用上文提到的物理知识说明,乘客为什么必须站在安全线
以外的位置候车?
当乘客面向列车时,前方的空气流动速度大,压强小;后方的空气流
动速度小,压强大。人的前后方出现压强差,把人推向列车造成伤害。
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解题思路(1)草原犬鼠的一个洞口很平坦,而另一个洞口处有凸起的
土堆,这样当空气流经两个洞口时,洞口表面处空气的流速会不同,所
以洞口处的气体压强会不同,洞内的空气就会从气压大的一端流向气压
小的一端,给犬鼠带来了阵阵凉风。
(2)当乘客面向列车时,前方的空气流动速度大,压强小;后方
的空气流动速度小,压强大。人的前后方出现压强差,把人推向列车
造成伤害。
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四、科学解释足球中的“香蕉球”
如果你经常观看足球比赛的话,一定见过罚前场直接任意球。这时
候,通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”,挡住进球路
线。进攻方的主罚队员起脚一记劲射,球绕过了“人墙”,眼看要偏离
球门飞出,却又沿弧线拐过弯来直入球门,让守门员措手不及,眼睁睁
地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。看到那潇洒多变的
“香蕉球”,你有没有想过是怎么回事呢?
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流体(液体或气体)中的旋转圆柱体或球体相对于流体运动时,会在旋
转体上产生一个侧向力。足球在气流中运动时,如果其旋转的方向与气
流同向,则会在球体的一侧产生低压,而球体的另一侧则会产生高压,
这就是会产生“香蕉球”的原因。当足球旋转时,除了可以改变球体周
围的气流,球的运动轨迹也会相应发生改变。而且足球不仅可以侧旋,
触球部位的不同,还可以产生不同的旋转,从而使足球上飘和下沉,这
样就达到了迷惑防守方的目的。
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任何一次成功的任意球中,必不可少的一项技术就是使球按照自己的控
制产生旋转。不知道你注意到没有,罚“香蕉球”的时候,运动员并不
是踢中足球的中心,而是稍稍偏向一侧,同时用脚背摩擦足球,使球在
空气中前进的同时还不断地旋转。一方面空气迎着球向后流动,另一方
面,由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转。这
样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢。物理
知识告诉我们:气体的流速越大,压强越小。由于足球两侧空气的流动
速度不一样,它们对足球所产生的压强也不一样,于是,足球在空气压
力的作用下,被迫向空气流速大的一侧转弯了。
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例5 著名乒乓国手马琳拉出的“弧圈球”速度快,旋转强,
下沉快,威力极大(如图)。下列有关“弧圈球”说法正确的是( C )
A. 乒乓球在空中高速前进是因为受到了球拍的撞击力
B. 飞行的乒乓球受到平衡力的作用
C. 乒乓球的下落速度会变快
D. 乒乓球此时会受到一个向上的升力
C
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解题思路 A. 打出去的乒乓球在空中继续前进是因为具有惯性,仍要
保持原来的运动状态,而不是受到了球拍的撞击力,故A说法错误,不符
合题意。B. 空中飞行的乒乓球受到重力和空气阻力的作用,重力的施力
物体是地球,在重力的作用下乒乓球的运动状态会发生变化,所以乒乓
球在空中前进时不受平衡力作用,故B说法错误,不符合题意。CD. 因为
球上方气体相对球上部流速小于下方气体相对球下部流速,所以球上方
的压强大于球下方的压强,此时球受到一个向下的力,因此球高速旋转
前进比不旋转前进时会下落得快,故C说法正确,符合题意;D说法错
误,不符合题意。故答案为C。
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