对初中物理中液体与气体压强产生原因的思考(转自王华刚的博客) 气体压强

(这篇文章提出了一些很有价值的问题,也解析了几个问题,但我觉得还是有不明白的,大家都来围观一下吧.)

静流体压强的解释在我国初中物理课程中长期以来一直是一个未能妥善解决的问题。高中以及高中以上学校的物理教师,没有这方面的亲身实践,往往体会不到这是个问题。笔者从个人体会出发,对静流体压强普遍的宏观解释这个问题进行了思考. 

初中物理教科书中对静流体压强的解释都简单地归之于“重力”。作为教科书中对液体、气体压强的解释,却给老师和学生留下了“液体和气体压强是由重力产生的”这样的误解(这种说法经常出现在课堂教师的讲解中,也常出现在各类考试的试题中)。我们不禁要问,如果没有重力难道液体、气体就没有压强了吗?这种解释也难于与早已成熟的微观解释相协调。由此而产生了一些困惑。

二:既然液体压力是由重力产生的。为什么同样多的水盛于形状不同的容器中对容器底的压力大小不同呢?特别是为什么这个压力还有的大于液体的重力呢?

三:既然气体和液体一样其压力(压强)是由重力产生的,甚至于就是其自身的重力。为什么从大气中取出一杯空气,加上盖子,这杯中的空气会与外界大气有相同大小的压强呢?一杯空气的重力怎么能与大气的重力相比呢?

笔者一直受着这些问题的困扰曾与同事进行讨论,得到的结论是缺少恰当的宏观解释。用微观解释可以解决问题但不适合初中的现状。也就是说需要找到一种可以与微观解释相一致的宏观说法。且认识到:第一,微观解释不适合目前我国初中的教学现状,但这并不妨碍从研究微观解释入手,找到一个从微观和宏观的桥梁。第二,必须与重力解释相协调。因为确实存在着重力的作用。

气体的分子结构是完全无序的,分子之间距离较远,分子之间的作用力可以忽略不计,其压强可以解释为由大量分子热运动的碰撞产生,由统计研究,可得气体压强是描述物质挤压程度的物理量。我们找到了从微观通向宏的这座桥梁——挤压。

气体压强可以用挤压解释。一定量的气体既没有一定的形状也没有一定的体积,它总是充满容器,其体积与容器的容积相同。容器对气体是一种束缚,如果没有容器的束缚气体必将四散逃逸,谈不到什么压强。束缚就是挤压,压力是由挤压产生的,压强的大小反映了挤压程度。

挤压的形成可能是由于重力的作用,也可能不是由于重力的作用。可以设想束缚在容器中的气体就是在没有重力的情况下(如失重状态)仍然有压强,而且其压强的大小随容器容积的变化而变化。从而气体压强的解释可与重力脱钩,我想这才是它的本来面目。

大气压强的产生确实与重力有关,因为正是重力把大气束缚在地球周围。换句话说,是重力使大气发生了挤压而产生了压力、压强。

重力作用的特点是分散作用于物体组成的每个细小部分(通常说的重力指的是这些力的合力),所以说重力属于“彻体力”。重力使受力物体沿竖直方向一层层挤压,越往下挤压程度越甚,而在水平方向则挤压程度相同。其结果是在同一水平各处压强大小相等,而沿竖直方向越往下压强越大。大气就是如此,这与微观统计分析的结果是一致的。

挤压解释可以避免重力解释带来的许多误会,本文开始提出的困惑之三可以迎刃而解:一杯空气虽然少,外界大气虽然多,但它们是同样的气体,有同样的温度,挤压程度相同,故有相等大小的压强。

传统教科书中大气压力等于大气重力之说并不错误,只是过于简单缺少关键的中间过程说明。这个问题可用平衡条件证明在水平地面上取一面积为S的平面,由此平面竖直向上直到大气顶端存在着一个大气柱体。此气往静止因而所受的力为平衡力。在气柱的侧面周围大气对它的压力分布对称、相互平衡不待多言。在竖直方向此气柱受到两个力,一是重力G,再一个是地面的支持力(大气压力的反作用力)pS。此二力平衡,则pS=G。这就是说挤压解释可以更科学地证明重力解释所得到的结论。

另一个需要说明的问题是,即使是盛于容器中的气体,严格地讲在重力作用下沿竖直方向的分布也是不均匀的。设想一个容器中充满了气体,在没有重力作用时其分布均匀,在重力作用下则上部稀疏而下部稠密,而且是按指数规律变化。这好像一个竖直放置上下两端固定的螺旋形软弹簧,在没有重力作用时,其螺距是均匀的,在重力作用下则自上而下螺距越来越密。

这就是说由于重力的作用在有限容器内的气体也存在上下压强差。这正是气体浮力的来源所在,以及气体对流得以发生的原因之一。但在通常的条件下,容器高度有限,由于气体的质量密度很小所以常常忽略不计。

液体比气体复杂得多,它的分子结构近程有序,与气体、固体比较更接近于固体。固体的形变有多种形式,拉伸、压缩、扭转、剪切等等,无论发生哪一种形变都有相应的应力产生。对气体和液体可以毫无应力地改变其形状,但在体积压缩方面气体、液体则有与固体一样的性质。①气体和液体由于体积的压缩而引起的应力就是压强。因之压强的挤压解释不仅适用于气体也适用于液体。但是对液体压强的微观解释比气体要困难得多。

液体与气体不同,虽然它没有一定的形状但有一定的体积、而且难于压缩。液体内的压强也是由分子的热运动产生的,在通常的情况下与气体不同的是液体分子之间的相互作用力不可忽视。

由于通常情况下液体内的分子斥力略大于引力,因而难于压缩,如压缩则斥力急剧增大。使液体体积扩张,则导致分子引力增大,也是困难的。所以通常的液体保持一定的体积。

液体与气体另一个不同之点是液体存在表面,表面层有指向液体内部的压强。另外液体表面的凸凹在影响液体压强方面也扮演着重要角色,凸的表面产生正的附加压强,凹的表面产生负的附加压强。实验表明凹的表面对液体的体积有扩张作用。这对正确解释初中物理常做的证明大气压存在的演示实验——覆杯实验、水膜粘合玻璃片实验——是不可忽视的。液体的表面层形成对液体的自我束缚、自我挤压,液体总是处于紧张状态,所以即便没有容器。没有重力及其它外来作用液体内仍存在着压强。

液体的微观结构复杂,压强的微观解释困难,但并不妨碍从宏观上以挤压对其压强进行解释。液体的可压缩性很小,并不是绝对不可压缩。以水为例,在通常情况下大约每增加1倍的标准大气压的压强可使水的体积减小原体积的46×10-5。

一切液体在或大或小的程度上总是可以压缩的。当液体体积被压缩时就要产生压力,这就是液体的弹性力,液体越被缩它的压力就越大。这里可以看作弹性作用的压强也就是前面说过的斥力压强与引力压强的差值;随着压缩程度的增加斥力压强增大,差值Pr-Pi增大。

在重力作用下,液体和气体一样沿竖直方向产生不均匀分布。即在同一水平各处挤压程度一样,而沿竖直方向越往深处挤压越甚。所以在水平方向各处压强相等,而随着深度的增加压强增大。

在初中物理课程中采用液体压强的挤压解释可以避免传统重力解释带来的误解和困惑,教科书中应说明不管是什么原因只要液体发生挤压则产生压强,而且压强的大小由挤压程度决定,液体自身所受重力使液体的挤压越深越甚,而在同一深度处挤压相同。重力以外的原因,如其它外力的作用使液体发生挤压则各处挤压程度一样。据此进一步说明相应的压强分布,这是有科学根据的,也是学生可以接受的。照此解释,本文开始提出的困惑之一可解,对困惑之二可以部分解决。由于学生头脑中有“力守恒”的前概念,这个问题在真正掌握了力的分解合成之后才能彻底解决,所以义务教育教学大纲中规定不讨论这类问题是有道理的。类似困惑之三。液体也有这样的问题,例如。在5000米深的海底水的压强可达500倍的标准大气压以上,在这样的地方取一杯水密封起来,虽然这杯里的水本身所受重力可能还不足10牛顿,但它却有与杯外海水同样大小的压强,这是因为其挤压程度与外边水的挤压程度一样的缘故。设想装水的杯子为刚体不会发生形变。这杯水拿到海面上边来仍会保持500倍标准大气压以上的压强。

第一单元主题是压力、压强概念。对压力可解释为:物体间由于挤压而垂直作用在接触面上的力叫做压力。从生活实例入手,所举实例既要有重力作用的,也要有非重力作用的,还应包括碰撞;要有固体的,也要有气体、液体的。

在这一单元内应与小学自然相衔接定性地介绍气体压强(包括气体压强与体积的关系)、大气压的存在、液体压强等现象。

第二单元主题是液体压强。着重讲重力作用的特点,总结出在液体内同一水平各处挤压相同,压强相等(在下一单元介绍托里拆利实验可利用此结论);沿竖直方向液体内从上至下挤压程度越来越大,压强随深度的增加而增大,并用实验验证。

在这一单元内要给出液体压强的计算公式。公式的推导以依平衡条件为好。在液体内某一深度h处的某点取一面积为S的水平面,由此面竖直向上取一粗细均匀的液柱直到液体表面。根据平衡条件得出深h处的压强

对初中物理中液体与气体压强产生原因的思考(转自王华刚的博客) 气体压强

P0为液面上的大气压强。说明ρgh为液体受重力作用发生挤压产生的压强,此压强只与液体的密度ρ和深度h有关,而与液体的多少无关。给出上式有助于消除片面理解重力的作用。

第三单元主题是大气压强。说明大气受重力的束缚包围在地球周围,在重力的作用下发生挤压而产生压强。压强随高度变化。另外大气压强与地形、天气(气压低易形成阴雨,但不是阴雨而形成气压低)、季节有关。

  

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