师:今天我们继续学习分子热运动之二。在开始新课前,先回顾上节课知识。上节课我们知道常见物质由分子、原子构成,构成物质的分子都在不停地做无规则运动,且温度越高,分子的无规则运动越剧烈。那老师有个问题,既然分子在不停地做无规则运动,通常固体和液体中的分子为什么不会飞散开,而总是聚在一起保持一定的体积呢?带着这个问题,我们来看个实验。
将如图所示的两个铅柱,底面削平、削干净,然后紧紧压在一起,看看会发生什么现象。
生:两个铅柱结合在一起了。
师:如果给这两个铅柱下方悬挂一个重物,会不会把它们拉开呢?不着急,继续看实验视频。我们将重物放在电子秤上,称量出它的质量大约有6000多克,然后用结合在一起的铅柱轻轻地挂在手柄上,请大家仔细看。慢慢提拉,我们会看到电子秤的示数变为0,说明物体已经被整个提升起来了。
生:即使悬挂重物之后,两个铅柱仍然没有被拉开。这是什么原因呢?
师:说到轻轻挤压然后结合在一起,老师想到以前学习大气压强时碰到过类似实验。当时我们将两个吸盘合并在一起,两侧轻轻用力压在一起后,吸盘可以结合在一起,这跟两个铅柱挤压结合在一起很相似。后来我们知道,吸盘结合在一起是由于大气压力的作用,那这两个铅柱结合在一起会不会跟吸盘一样,也是大气压力的作用呢?接下来我们就研究这个问题。为更清楚分析原因是不是大气压力,先详细回顾一下当时的吸盘实验。我们将两个吸盘合并在一起后,给它施加两个方向的力,由于施加了上下这两个方向的力,两个吸盘之间的空气就会从中间排出。此时选择下方红色的吸盘作为研究对象,把它单独分离出来。对下方的吸盘来说,它的下侧大气压保持不变,可上方由于空气已被排出去,上表面压强变小,下方不变上方变小,会导致什么结果呢?
生:会导致在吸盘的上下表面产生一个向上的气压差。
师:正是因为这个气压差,导致吸盘看似被吸住了。如果想让下方的吸盘在自身重力下掉下来,有什么办法呢?下方的吸盘被吸起来是因为上下表面有气压差,下表面气压大,上表面气压小。只要解决这个上下表面的气压差问题,吸盘就可以掉下来。比如说可以采用两种办法。第一种,下方气压不变,增大上方气压,我们可以给这两个吸盘之间重新充气。第二种,让吸盘上方气压不变而减小下方气压,这个可以怎么做到呢?
生:可以将吸盘整个装置放置在真空罩中,利用抽气机将罩内空气抽出,就能减小气压。
师:如果刚才研究的铅柱结合在一起的原因跟吸盘一样,也是因为大气压的作用,那么想让下方铅柱在自身重力下掉下来,也能用这两个办法。事不宜迟,马上用第二个实验方法试一试。实验开始前介绍一下实验装置。这是实验要用的抽气泵,这是气压计,能显示真空罩内的气压。为方便对比,将吸紧的吸盘和结合在一起的铅柱同时放进同一个真空罩中。另外,给大家提供一些实验器材相关参数,比如吸盘和铅柱的横截面积,吸盘质量大约为11克,下方铅柱质量大约为85克。结合这些参数,大家猜一猜,如果老师按下抽气泵电源,随着不断抽气,它们两个谁会先分开呢?是受力面积大、质量小的吸盘,还是受力面积小、质量大的铅柱。不着急,一起通过视频看看,请大家观看实验视频。
生:打开真空泵电源,发现真空罩内气压不断下降,吸盘形状鼓起来了,吸盘掉落了,此时气压计显示真空罩内气压仍在不断减小。
师:回顾一下刚才的实验现象。随着真空罩内空气逐渐变少,气压计显示气压不断降低,两个吸盘分离,但两个铅柱仍然结合在一起。这是什么原因呢?跟我们刚才猜想的结果不太一样,问题出在哪呢?不用着急,接下来通过实验中的相关数据,具体计算一下铅柱受到的大气压力数值,看看能否通过具体数据计算找到问题原因。
首先选择下方铅柱作为研究对象。如果大气压取10的5次方PA标准大气压,铅柱横截面积为环形,如图所示,大圆半径为7毫米,小圆半径是4毫米,它的横截面积可通过公式s = πR2 - πr2计算出来。我们代入数据看看。
假如两块铅柱完全接触,受力面积就是铅柱横截面积,即3.14×49平方毫米 - 3.14×16平方毫米,通过计算得到103.62平方毫米,用科学计数法表示为1.0362×10??平方米。为方便运算,将小数点后位数缩减为两位,约为1.04×10??平方米。不过要提醒大家,真实情况无法做到受力面积像右图那样,铅柱结合在一起会存在一定错位,周边位置也没完全接触。所以认为受力面积是铅柱横截面积的话,计算出来的是最大值。若大气压取10的5次方帕,受力面积取最大值1.04×10??平方米,根据公式F = PS可计算得出铅柱能承受的大气压力最大值。F Max = PS Max = 10的5次方帕×1.04×10??平方米,计算得到10.4牛。
