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神奇吸力从哪来

2019-03-01 15:07:15

关键概念

物理

液体

气体

压强

引言

你有没有想过冰镇汽水的罐或瓶外面的小水滴来自哪里?来自凝结!冷的表面导致空气中的水蒸气冷却、凝结,形成小液滴。小液滴中的分子比它们在空气中密集得多,且压强较小,这一现象有很多有意思的物理应用。

背景

构成我们身边所有事物(包括空气)的分子通常处于一种稳定状态。热水分子移动加快,由水(液态)变成水蒸气(气态)。由水变成水蒸气时,分子不仅移动更快而且分散得很开。它们分散得很远,相互之间有很大的压强,对与它们接触的物体也有很大压强。如果我们拿走水蒸气的热源会怎么样?分子重新变成水。这叫做凝结。

我们大气层中的空气也是本就有很大压强的气体。这个实验将展示当改变冷凝蒸汽的压强,使之相对于保持不变的大气压增加时,将发生什么。

材料

一个大的厚塑料广口瓶(空的64盎司果汁瓶或者3加仑饮水罐很合适)。小心使用薄塑料容器,热水会使之熔化;不要用玻璃容器,沸水会使之破裂。

小的空水气球(保证有不止一个可用,避免破裂。)

火炉

防热手套

一罐或一茶壶沸水(小心操作,需成人帮助。)

步骤

用火炉煮沸一罐或一壶水。

等水烧开的过程中,用水栓或软管灌满气球。不要让气球过度膨胀!让气球足够大不会仅在重力作用下就掉入广口瓶中,但也不能过大以至于一压就会破。

水一烧开,小心地把水倒入瓶中,大概1/4。

把之前灌满水的气球放在广口瓶口上。

站远点观察气球被“吞”入瓶中。结合我们已经知道的关于水和水蒸气压强的知识,你认为这个现象发生的原因是什么?

补充:试着绘制一个图解来描述实验每个阶段空气和水的分子是什么样子。阅读下面的“观察与结果”会有些提示。

补充:吸力是一个误导的概念。冷凝蒸汽不像磁体那样本身具有吸力。它并不是真的把气球拉进或吸进瓶子里。蒸汽分子不跑出瓶子也不推气球,瓶子外面的其它东西产生了更大的力(不是重力)把气球推入了瓶子。这会是什么呢?

补充:如果气球太大会发生什么?为什么?

观察与结果

加热水,它的分子运动加速,转变到气态:蒸汽。当处于气态时,水分子快速散开并占用更多的空间。瓶子内外的压强达到平衡意味着它们大小相等。为什么?对于一个敞口的瓶子,膨胀的蒸汽可以从瓶子里面跑到外面周围的空气中。

在这个实验中各个因素都发生了变化:当瓶内蒸汽开始冷却时我们把气球放在了瓶口。没有了热量,瓶内水分子开始凝结,即它们开始从气态回到液态。当物质从气态变为液态时,分子将占用较小的空间并对外具有较小的压强。实际上,冷凝蒸汽在瓶内造成了部分真空,真空的压强远小于周围的大气压。记住,瓶子外面的大气压是不会像瓶内蒸汽压强一样降低的,它是恒定的。我们称这两个区域间的压强差异为气压梯度。由于气球阻碍了气体从一个区域流向另一区域,所以瓶子内外压强不容易达到相等。

神奇吸力从哪来

接着发生了什么呢?外面的气体(空气)用力压里面的气体(冷凝蒸汽),所以,气球就被一边压着另一边拉着进了瓶子。

描述所发生的情况还有一种方法是用“吸”这个词,因为水气球是被吸进瓶子的。但是吸是个误导的概念!我们说“吸”这个概念实际指的是液体或气体推某件物体,并且伴随着大小相同的反推力的存在。你可以通过简单的吸出一个空瓶子内的空气压缩这个瓶子。外面空气的压强导致了瓶子的缩小,因为你吸走了里面反推的空气!

(翻译 余卉)

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