浮沉子不可逆现象的探究.pdf
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1、浮沉子不可逆现象的探究苗燕茹姚关心许新胜(安徽师范大学物理与电子信息学院安徽 芜湖 )(收稿日期:)摘要:对处于漂浮、悬浮、临界位置个状态的浮沉子进行了动力学分析,给出了浮沉子出现不可逆现象的原因以及浮沉子临界位置的理论表达式,解释了相关参数对实验现象的影响,并通过实验验证了此理论的可靠性关键词:浮沉子;不可逆现象;临界位置引言 年全国大学生物理学术竞赛中提出了这样一个探究性的问题:将一个简单的浮沉子放在一个装满水的长竖直管中,管中压力的增加会迫使浮沉子下沉,当达到一定深度时,即使压力变回初始值,沉浮子也不会返回初始位置对浮沉子这种不可逆现象的研究工作也有不少报道,但都主要集中在浮沉子的制作方
2、法和不同运动状态的描述上,而对浮沉子的不可逆现象的物理本质研究相对较少本文将对不同状态浮沉子进行动力学分析,给出浮沉子不可逆现象的合理解释浮沉子的动力学理论分析 浮沉子模型一个上端开有小孔、内部注有液体并留存一部分气体空间、可以实现上浮和下沉的物体被称为浮沉子,其示意图如图所示图浮沉子示意图 浮沉子运动特点浮沉子初始漂浮于水面上,对密封装置施加外力后,装置液面上方空气体积减小,压力增大,浮沉子向下运动,当浮沉子下沉至一定深度且处于无速度状态时撤去所施加的压力,此时会出现一种最常见的现象 浮沉子回复至初始位置,称为可逆转的浮沉子但一定条件下,会出现撤压后不会回复的情况,称为不可逆转的浮沉子大量实
3、验表明,在液面以下存在一个可以使浮沉子可逆与不可逆状态发生改变的临界位置,且在此处浮沉子速度为零(浮沉子加速度方向在此处实现了从撤压向上到撤压向下的转变)针对浮沉子运动过程中的特点,建立相应的浮沉子物理模型,其示意图如图所示(a)浮沉子静止漂浮;(b)对装置施力F,浮沉子静止悬浮于液体中且无下沉深度;(c)对装置施力F,浮沉子下沉h且处于临界位置图浮沉子的种平衡状态示意图 年第 期物理通报竞赛与物理专题研修大学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目 资 助,项 目 编 号:;安 徽 省 高 等 学 校 省 级 质 量 工 程 项 目 资 助,项 目 编 号:k f k c ,j y x
4、m 作者简介:苗燕茹(),女,在读本科生通讯作者:许新胜(),男,教授,研究方向课程与教学论 浮沉子动力学过程理论分析采用不同规格且顶端开有直径为mm小孔的玻璃瓶制作浮沉子(利用玻璃瓶,所展示的相关可逆或不可逆现象更为明显且对原理分析无影响)由阿基米德原理(忽略浮沉子的外壳体积)和力的平衡m gg hS()m gg h S()m gg h S()式()、()、()中,m为浮沉子质量,S为浮沉子截面积,为液体密度,g为重力加速度,h为图(a)中位于液面以下的气柱长度,h 为图(b)中浮沉子内气柱长度,h 为图(c)中浮沉子内气柱长度联立式()、()有h h p p()式()中,p、p 分别为图(
5、b)和图(c)中浮沉子内上方气体压强对种状态下的浮沉子进行受力分析,根据力的平衡有m gpSp S()m gp Sp S()m gp Sgh Sp S()式()、()、()中,p、p、p 分别为图(a)图(c)中外部容器上方气体的压强,p为图(a)中浮沉子内上方气体压强,h为图(c)中浮沉子下沉深度对图(b)和图(c)状态下的浮沉子底端进行分析有p g h p g(h h)()p g h p g(h h h)()式()中h、h 分别为图(b)中浮沉子内气柱长度、水柱长度,式()中h、h 分别为图(c)中浮沉子内气柱长度、水柱长度化简式()、()可得p p g h()p p g(h h)()若把
6、空气的压缩过程看成等温压缩过程,则有p(hh)Sp h S进一步可求得p hhh(pg h)()结合式()、()、(),浮沉子的临界位置的表达式可写为hpg(hh)hp g()为了更加直观地看出浮沉子自身参数对h的影响,联立式()、式()可写成hphSmgg(pp)h()若要让图(b)中的浮沉子下沉,需要对装置进行施压,使外部容器上方气体压强增大此状态下必有p p 联立式()、(),其中h,得p p 显而易见,此式与式()相矛盾为了满足式()成立,联立式()、(),得到p p gh()即在浮沉子下沉h后,立即减小外部容器内气压p,并使之小于p,才能使得等式成立但仅在外界大气压作用下,外部压强最
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