今天小编在思(jiu)考(shi)人(mo)生(yu)的时候
看到了桌面上的沙漏
突然灵机一动
打算做个反向沙漏玩玩
实验器材
所标杯、塑料瓶、乒乓球、注射器、剪刀、斜嘴钳
敲黑板,实验要注意安全,千万不要伤到自己哦~
我们先来用塑料瓶做一个一头宽一头窄的圆筒
这里最好用瓶体曲线比较平滑的塑料瓶
将塑料瓶尾部剪下
用这个圆筒我们可以先做一些简单的实验
比如初中刚刚接触浮力时会接触到的一个实验:
将乒乓球放入筒中
从圆筒上方加水
我们会发现乒乓球并不会浮起来
不过如果我们将圆筒放在桌面上
或者用手盖住瓶嘴处
过个几秒钟,乒乓球便会突然弹起
瞬间漂浮到水面上
大家回想一下浮力的本质
即不同的流体压强作用在物体的各个表面上形成的压力差
在刚才的实验中两种状态之间的转变非常剧烈
不过我们可以用一些手段来调控这种变化
比如向乒乓球中注水:
先在乒乓球上开一个小口
再用注射器向乒乓球内注水
不过不要注太满哦
只要这个口开的不太大,
不仅球在空中时球中的水不会流出
球浸没在水中时球中的空气也不会逸出
那么现在我们将注入部分水的乒乓球放入瓶中
向上方灌入水后将瓶盖拧紧
然后静置观察:
我们可以看到乒乓球有节奏地弹跳起来然后落下
跳动的频率随着下方水面的上涨越来越高
并在瓶口处水灌满后的几秒内逐渐上浮
这里乒乓球弹跳的节奏以及上浮前能够弹跳的总时长
与乒乓球内的水量有关
大家可以多试试不同注水量对弹跳的影响
水量合适时得到的弹跳又明显又持久
如果注水量较大
整个装置也可以当成一种沙漏来使用
乒乓球上浮时就意味着沙漏时间到啦
在瓶子下方敞开时(如上图左侧),乒乓球下方受到大气压强的作用,乒乓球与水接触的部分受到大气压与水压之和的压强。只有乒乓球的边缘(图中红线两侧)上下表面有向上的压强差,能提供少量浮力,而乒乓球的中心部分压强差向下,水压将乒乓球牢牢地“钉”在了瓶口处。
在瓶口用瓶盖、桌面或手封住时(如上图右侧),由于部分水会因为乒乓球表面的毛细作用渗入下方的空间,下方空气体积减小、压强增大。直到下方压强增至乒乓球受到的合力向上时,乒乓球便会上浮。而一旦乒乓球上浮、水迅速涌入下方空间,乒乓球被水包裹,受到完整的浮力,所以向上回弹的速度极大。
不过如果我们将乒乓球灌入部分水,乒乓球整体的质量增大,在乒乓球弹起时,向上的加速度很小,形成的空隙很小。下方的空气会水大量流下前率先以气泡形式逸出,此时乒乓球与瓶壁的界面处上下压强形成瞬时平衡,不过由于此刻水倾向于向下方空间流动,便会推动乒乓球向下运动,再次将空气堵住。不过此时由于空气体积减小了,下一次弹起所需的渗透水也会变少,所以乒乓球会越弹越快。直到下方的空气全部逸出,乒乓球便会升起了。
如果乒乓球的水过多,使整体的密度与水接近的时候,在乒乓球第一次“抬起”时,打开的通道很窄,会形成一个微妙的平衡,使下方空气与上方水的交换交替进行而不继续使乒乓球运动,整体的周期非常平稳,就好似沙漏一般。
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