先替题主把原题叙述一下:
如图桌面上有两个完全相同的圆柱形平底杯子,里面分别盛有质量相等的水和酒精,A、B两点到杯子底部的距离相等。已知水的密度是1千克每立方米,酒精的密度是0.8千克每立方米,则A、B两点压强的大小关系是什么?
选项有四个:pA>pB,pA<pB,pA=pB,和无法确定。
首先从基本概念、基本公式出发,液体内的压强都和什么有关?
我能想到两点:
1.液体内部的压强可以想象为液体内部一点逆着重力方向往上“所有液体”压在这一点所在液面上的压强。压强按公式是:这一点以上所有液体的重量除以液面的截面积。
2.液体内部的压强公式是:ρgh,这里的h是液面和液体内部某点的高度差。
其次我们回到原题,原题给定的“约束条件”并没有限制死。只是说A、B两点距离杯子底部的距离相等。这意味着A、B两点的位置是可以上下移动的。但这个自由度不能突破一定限制,比如按照题意,A、B两点距离杯子的底部不能为0。
假设A、B两点距离杯子底部的高度是h',这意味着h'的取值有个下限,这个下限是0,但不能为0,换句话说就是h'>0。
作为极限,我们知道当h'=0的时候,所有液体的重量都压在A、B两点所在的液面上,因为杯子里盛的液体质量相等,此时pA=pB=p0。
其次A、B两点都要在液体内部,换句话说A、B两点的高度也要有个上限。考虑到水的密度较大,两个杯子是相同的,装水的液面会比较低,A、B两点的高度h'要小于水面的高度。
我们可以设想A正好比水面的高度低一点,此时pA无限趋于0,但对B而言,由于酒精的密度较小,酒精面比水面要高一些,此时pB肯定是个有限值,假设是p1>0。
两个极限位置卡死之后,我们就可以考虑压强的变化了。
考虑压强公式:ρgh,这里的h是液面距离A、B两点的距离,假设液面高度是l,那么:h=l-h'。
这意味着不论是水还是酒精其压强随高度h'的变化都是“线性关系”,换句话说就是一条直线,并且它们在无限接近杯子底部时的取值都是p0。
现在假想A、B的高度h'逐渐加大,最后到达最大,这个最大值就是水面的高度,此时pA的取值无限趋于0,而pB的取值p1>0。
有了这两个极限情况,我们就可以把压强随高度h'变化的直线示意地画出来了。
根据题意,A、B两点始终在液面内,它们无法贴到杯子的底部,也不能达到水面的高度,相当于是如图红线的位置,这意味着pA<pB。
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