前两天我制作了一个物理实验视频,没想到引发了网友们的热议,此视频按照中学物理知识,几乎一多半网友的答案都与物理答案相左了。
这个物理实验视频其实来源于物理课本,其内容说的是“用细线把很干净的玻璃板吊在弹簧测力计的下面,记住测力计的读数。使玻璃板水平接触水面,然后稍稍用力向上拉玻璃板,弹簧测力计的读数会增大到一定程度才能脱离水面,产生此物理现象的原因是什么?”
很多网友认为分子间的作用力太小了,在宏观上根本表现不出来,因此直接把分子力忽略处理了。多数网友认为,弹簧测力计之所以示数变大,是因为大气压的作用。他们以为玻璃板下表面与水接触,没有大气压存在,而玻璃板上表面有大气压存在,因此受到大气压力,从而导致提起弹簧测力计时,示数变大。
其实,这里并不关大气压什么事,并不是大气压舍不得放手,而是分子引力舍不得玻璃离开!
可是,到底为什么与大气压无关呢?我们来分析一下:
如上图,当吸盘吸住玻璃板,用弹簧测力计在空气中称量时,弹簧测力计的读数等于玻璃板和吸盘的总重力。
其实,吸盘能吸住玻璃板,才真是大气压所导致的!因为吸盘与玻璃固体之间几乎没有了空气,这两个固体之间也没有达到分子间能产生作用的短距离,因此分子间作用力可以忽略不计,二者之间能吸引到一起,是被大气压压在了一起!
大家还记的中学物理课本中的“马德堡半球实验”么?1654年5月8日,德国马德堡市的市民们看到了一件惊奇而又令人费解的事情:他们的市长,就是发明抽气机的奥托·格里克,把两个直径为30㎝的空心铜半球紧贴在一起,用抽气机抽出球内空气,然后用两队马向相反的方向拉两个半球。16匹马拼命挣扎,费了很大劲,当最后拉开时,发出了很大的响声,如同放炮。市民非常惊奇,“是什么力量把它们压合的这么紧呢?”市长说:“没什么,是空气”!如果把铜半球上的阀门拧开,空气经阀门流进球里,用手一拉,球就开了。这就是著名的“马德堡半球实验”!
按照标准大气压强值约为10的五次方帕斯卡,假设上图中的吸盘半径约为3㎝,根据气体压强变形公式F=PS,可以求出吸盘所受到的大气压力约为90N,也就是说只有比此力大时,吸盘与玻璃才能分开!而上图中,弹簧测力计的读数只有1.4N,也就是说玻璃板对吸盘的拉力要比1.4N还小,更远远小于90N。所以二者被大气压紧紧的压在一起,不可能分开。
下面我们来分析一下网友们最有争议的问题。
把玻璃板水平紧贴水面,往上拉,当玻璃板刚要脱离水面时,可以看到弹簧测力计的示数最大为2.2N,比二者在空气中的示数要大。到底是大气压在作怪,还是玻璃板与水面之间的分子力作用的结果呢?
凡是误以为大气压作用的网友,都犯了同样一个错误:
误以为液体压强与固体压强的特点相同了!液体与固体第一个不同就是,液体具有流动性。液体的压强具有这样的特点:液体内部向各个方向都有压强,同种液体的同一深度,各方向压强都相等。
在液面处也有压强,液面压强的大小正好等于大气压!也就是说,对于上图中的玻璃来说,的确受到了向下的大气压,但是也同时受到了大小相同的向上的液体压强!由于受力面积相同,根据F=PS,可知玻璃所受到的向下的大气压力与向上的液体压力相等!因此二者效果抵消!
也就是说对于吸盘和玻璃板二者组成的整体来说,实际受到五个力,但是由于以上两个力抵消,则相当于只受到三个力,即向上的弹簧测力计的拉力,向下的总重力以及向下的分子引力作用。
另外有一点需要注意,分子间的相互作用力包括引力和斥力,二者是同时存在的!但是,玻璃板向上拉动时,分子间的作用力表现为引力!因此使得弹簧测力计的示数要比在空气中测量时变大!
希望以上从中学物理角度进行的解答能解决网友们的一些困惑。
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