改裝注射器測(cè)密度實(shí)驗(yàn)研究

黃根 湯金波

摘?要：本實(shí)驗(yàn)用注射器和軟管改裝的注射器做三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是測(cè)量液體密度，控制液體流向和探究取下橡皮帽水會(huì)流下來(lái)嗎.通過(guò)三個(gè)實(shí)驗(yàn)可以強(qiáng)化對(duì)壓強(qiáng)的理解分析，拓展一種測(cè)量液體密度的新思路.

關(guān)鍵詞：注射器;測(cè)密度;壓強(qiáng)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）18-0015中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

注射器是我們實(shí)驗(yàn)室常用的實(shí)驗(yàn)器材，在生活中也可以在診所或者網(wǎng)絡(luò)上買到.筆者利用改裝注射器完成三個(gè)實(shí)驗(yàn)，來(lái)看看如何測(cè)量液體密度，分析壓強(qiáng)，如何控制液體流向.

1?注射器的改裝與安裝

如圖1所示，注射器底部?jī)啥碎_(kāi)孔，各連接一根透明軟管，接頭處用熱熔膠做好密封，在注射器頭部用一個(gè)黃色橡皮帽堵住，注射器就改裝完成.用鐵架臺(tái)夾住注射器，在鐵架臺(tái)上掛一重垂線，軟管下端各放一杯子，可用透明膠把軟管在杯子上固定，杯中裝有液體，實(shí)驗(yàn)裝置即組裝完成.

2?改裝注射器測(cè)密度案例分析

2.1?實(shí)驗(yàn)一：測(cè)量老抽醬油密度

如圖2所示，注射器活塞向上拉動(dòng)后，密閉氣體體積變大使得注射器內(nèi)部和兩邊軟管內(nèi)氣壓小于大氣壓，在大氣壓作用下兩邊液體被“抽”起來(lái)了.因?yàn)樗拿芏圈?=1.0×103kg/m3，則可利用水的密度已知，將水作為比較液體，利用注射器和軟管內(nèi)密閉氣體的壓強(qiáng)P與外界大氣壓強(qiáng)P0的關(guān)系，求ρ醬油[1]：

P0=P+ρ醬油gh1（1）

P0=P+ρ水gh2（2）

則醬油密度為：

ρ醬油=h1h2ρ水 （3）

此外由于液面上方密閉空氣是相互連通的，所以他們氣壓相等，因此筆者抽動(dòng)活塞改變液面上方氣壓他們是等大改變的，也就是說(shuō)上式（1）（2）（3）總是成立的.因此我們就可以多次改變活塞位置，調(diào)節(jié)氣壓，并分別測(cè)量出兩邊液體高度，計(jì)算老抽醬油的密度，取平均值，從而減小誤差.

2.2?實(shí)驗(yàn)二：控制液體流向

如圖1所示，注射器內(nèi)和軟管中已經(jīng)抽取了部分水，軟管放在杯中.在左右杯中分別放有被染紅的水和染藍(lán)黑色的水.如圖3所示，如果把裝有紅色水的

杯子提起來(lái)，會(huì)觀察到紅色液體就開(kāi)始沖上軟管，注射器內(nèi)水從左向右流動(dòng).如圖4所示，反過(guò)來(lái)當(dāng)把裝有藍(lán)黑色水的杯子提起來(lái)紅色放下時(shí)，注射器內(nèi)液體又從右往左流動(dòng)了.

如圖5所示，分別分析A點(diǎn)和B點(diǎn)壓強(qiáng).

PA=P0-ρgh1

PB=P0-ρgh2

由于被抬起來(lái)h1PB，因此液體向右流動(dòng).兩者的壓強(qiáng)差等于ρgΔh，因此左邊抬起的越高，高度差越大，流動(dòng)的越快.同理把左端放下，右端抬起，自然就是h1>h2，PA

綜上，控制液體流動(dòng)表面上是抬起杯子，實(shí)際上是在調(diào)控壓強(qiáng)變化.

2.3?實(shí)驗(yàn)三：取下橡皮帽水會(huì)流下來(lái)嗎

如圖6所示，問(wèn)：若此時(shí)取下橡皮帽，會(huì)有什么情況發(fā)生？

猜測(cè)1：由于有液體壓強(qiáng)，注射器中的水向下流出.

猜測(cè)2：由于大氣壓可以托起水柱，注射器中的水不會(huì)流出.

猜測(cè)3：由于大氣壓較大，空氣反而倒灌入注射器，注射器和軟管中的水流出.

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到取下橡皮帽之后，空氣不斷涌入注射器內(nèi)，并且注射器內(nèi)和兩側(cè)軟管中的水全部都流了下去.看來(lái)猜想3是正確的，這是為什么呢？借助壓強(qiáng)分析不難理解.

如圖7所示，拉動(dòng)注射器活塞后，其內(nèi)部氣壓小于大氣壓，水就被吸上來(lái)了，此時(shí)有P

PA=P+ρ水gh，

似乎由于水的壓強(qiáng)的存在，加起來(lái)是可能超過(guò)大氣壓的.然而我們分析和A點(diǎn)處于同一水平位置的B點(diǎn)，根據(jù)同一深度液體壓強(qiáng)相等可知A、B兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等.而B(niǎo)點(diǎn)壓強(qiáng)大小為

PB=P0-ρ水gΔh，則有

PA=PB

因此A點(diǎn)向下的壓強(qiáng)還是小于大氣壓的.如圖8所示，取下橡皮帽后，注射器嘴A點(diǎn)和大氣相連通，其受到向上壓強(qiáng)就等于大氣壓，向上的壓強(qiáng)大于向下的壓強(qiáng)，因此可以看到氣泡不斷地向注射器內(nèi)涌入.

同時(shí)由于氣泡進(jìn)入使得注射器內(nèi)部氣壓增大，根據(jù)

P0=P+ρ水gh

外界大氣壓不變，內(nèi)部氣壓不斷增大所以液壓不斷減小，兩側(cè)水柱就不斷下降了.

從這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)出幾點(diǎn)壓強(qiáng)分析的小技巧：

（1）某點(diǎn)壓強(qiáng)等于氣體壓強(qiáng)加液體壓強(qiáng);

（2）相互連通的液體，利用同一平面內(nèi)壓強(qiáng)相等，把分析的點(diǎn)轉(zhuǎn)移到合適位置方便分析;

（3）同一個(gè)點(diǎn)若可能有動(dòng)態(tài)發(fā)生，則對(duì)其兩個(gè)方向的壓強(qiáng)分別分析.

筆者利用改裝注射器，一器多用分別做了三個(gè)和壓強(qiáng)、密度有關(guān)實(shí)驗(yàn).給出了壓強(qiáng)分析的小技巧，分析了控制流向的根本原因，給出了測(cè)量液體密度的一條新思路.

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