物理3壓強(qiáng)與重力的關(guān)系辨析

1、壓強(qiáng)與重力的關(guān)系辨析一、壓強(qiáng)的產(chǎn)生物體對其他物體的壓強(qiáng)，等于物體對其他物體的壓力除以其他物體上壓力的作用面積。壓力如何產(chǎn)生， 其本質(zhì)是什么，則壓強(qiáng)的本質(zhì)就是什么。1、氣體的壓強(qiáng)大家很熟悉氣體的壓強(qiáng)是由于氣體分子對容器壁或者浸入其中的物體表面的撞擊而產(chǎn)生。其滿足的基 本規(guī)律是：P = 2nE，也就是說，分子數(shù)密度n越大，平均分子動能E越大，氣體對單位面積的撞擊作3 kk用越強(qiáng)。比如說，一個氣球，其內(nèi)封有一定質(zhì)量的氣體，現(xiàn)吹入更多的氣體，或者系緊入口后使勁擠壓以 減小氣球體積，則其內(nèi)的分子數(shù)密度n增加，就能感受到其內(nèi)氣體的壓強(qiáng)在增加，氣球皮脹得越厲害。2、液體的壓強(qiáng)液體的壓強(qiáng)的產(chǎn)生，有兩個方面的層

2、面的作用，其一是分子熱運(yùn)動的撞擊作用，其二是液體內(nèi)部分子 間距小于平衡距離，分子力表現(xiàn)為斥力。其中撞擊部分與氣體類似，但是，分子間的斥力作用起主導(dǎo)作用。 比如，一個裝滿水的膠袋，系好口子后使勁地壓它以減小其體積，這時口袋就會脹得鼓鼓的，甚至?xí)芽?袋脹破一一這是液體被壓縮導(dǎo)致表現(xiàn)為斥力的分子力增加的結(jié)果。由于液體溫度沒有明顯變化，體積也沒 有太大的變化，因此，由分子撞擊產(chǎn)生的壓強(qiáng)沒有明顯增大，故分子間的斥力作用是主導(dǎo)。3、固體的壓強(qiáng)當(dāng)你拿著一根木棍用勁的將其壓向墻面時，木棍與墻面間的相互擠壓增強(qiáng)一一這實(shí)際上是固體分子間 距在縮小，表現(xiàn)為斥力的分子力增大的結(jié)果，這也是彈力的微觀本質(zhì)：固體被拉伸，

3、分子間距超過平衡距 離，分子力表現(xiàn)為引力，物體就產(chǎn)生收縮彈力；固體被壓縮，分子間距小于平衡距離，分子力表現(xiàn)為斥力， 物體就產(chǎn)生反抗壓縮的伸展彈力。二、壓強(qiáng)與重力的關(guān)系1、壓強(qiáng)不是重力產(chǎn)生的從前述分析可以看出，物體對其他物體的壓強(qiáng)，是分子力（撞擊的實(shí)質(zhì)是分子動能較大，使得“撞擊” 瞬間，分子間距小于了平衡距離，分子力表現(xiàn)為斥力）的宏觀表現(xiàn)，宏觀的講，壓強(qiáng)的本質(zhì)是彈力，這顯 然不是什么重力！初中物理中計(jì)算液體壓強(qiáng)或者大氣壓強(qiáng)時，往往用液柱、大氣層的重力除以作用面積，這使很多同學(xué) 以為，液體壓強(qiáng)或大氣壓強(qiáng)是重力產(chǎn)生的，這實(shí)在是一種錯誤的理解。（1）大氣壓強(qiáng)實(shí)際上還是氣體的壓強(qiáng)，其實(shí)質(zhì)還是氣體分子對物

4、體的撞擊作用。（2）液體壓強(qiáng)如前所述，還是液體分子的撞擊作用和表現(xiàn)為斥力的分子力的結(jié)果。（3）固體對支撐物的壓強(qiáng)，實(shí)際上還是固體底面被壓縮，導(dǎo)致分子間距變小，分子力表現(xiàn)為斥力的 結(jié)果，或者宏觀的說是伸展彈力的結(jié)果。2、重力場中物體的壓強(qiáng)分析那么初中物理為什么可以用重力來替代分子力、彈力來計(jì)算壓強(qiáng)呢？請看具體分析。（1）大氣壓強(qiáng)處在地面附近，大氣受到地球引力作用（重力），就有下沉的趨勢，這就必然導(dǎo)致大氣下層的密度高, 一 _ ，一 ，一 .2 -,于上層；為分析的簡單起見，我們假定大氣溫度處處相同一一由氣體壓強(qiáng)公式P = -nE可知，下層大氣3k的壓強(qiáng)必定大于上層大氣。大氣的這種下沉，并不是可以

5、無限制進(jìn)行下去一一這取決于使大氣下沉的重力與阻礙大氣下沉的大氣 壓強(qiáng)之間的平衡。垂直地面取一段延伸到大氣層邊界的空氣柱來分子，當(dāng)分析某高度處的大氣壓強(qiáng)時，我-mg們可以取該點(diǎn)上方的氣柱為研究對象，則由平衡條件，有：pS = mg，即p =-，很容易由這個表達(dá)式S十 、，、一,2 -看出，越往下，其上的空氣柱重力越大，則大氣壓強(qiáng)就越大，由P = 3嘰可知，大氣的密、度也就必須越 大，才能促成大氣壓強(qiáng)與大氣重力的平衡。（2）液體壓強(qiáng)分析液體的壓強(qiáng)時，大多假定不同深度液體密度基本相同。首先，我們基于這個假定來確定液體壓強(qiáng) 的計(jì)算式。注意，液體處在大氣中時，其上表面始終受到大氣的壓力段0。從液面向下取

6、一段高度為h的液 柱為研究對象，由于這段液柱處于靜止?fàn)顟B(tài)（現(xiàn)在，我們先分析處于靜止?fàn)顟B(tài)的液體的壓強(qiáng)），則液柱底 部受到的其下面液體的向上的壓力（由于分子撞擊和分子斥力產(chǎn)生的壓力）與液柱的重力、大氣壓力平衡，故有：pS = p S + mg = p S + p hSg，易得：p = p +p gh。但是，請不要被這個公式迷惑，以為液體000的壓強(qiáng)是由大氣壓強(qiáng)和液體重力產(chǎn)生，這實(shí)際上不過是液體壓強(qiáng)與大氣壓、重力之間平衡的結(jié)果。由p=p+p gh可知，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)隨深度的增加而增加，這又如何理解呢？我們可以這樣思考，由于液體分子受到地球吸引作用，使液體分子有一種下沉趨勢，這就導(dǎo)致下層液體密度大于上

7、層液體一一 假設(shè)液體溫度不變，則液體分子熱運(yùn)動的撞擊作用產(chǎn)生的壓強(qiáng)相同，由于下層液體分子更密集，分子間距 更小，分子斥力更大，所以產(chǎn)生的壓強(qiáng)更大一一從液面向下越深，液體分子越密集，從而使得液體壓強(qiáng)越 大，這才能達(dá)到與液體重力、大氣壓力的平衡，從而維持液體的穩(wěn)定，否則，液體必將繼續(xù)進(jìn)一步下沉， 直到達(dá)到平衡為止。不過，由分子力曲線可知，當(dāng)分子間距小于平衡距離之后，隨著分子間距的減小，分 子力急劇增加，因此通常情況下，盡管下層液體密度會比上層大，但是也不會大很多，因此在計(jì)算重力時 幾乎可以視作液體密度不變。順便說明兩個問題：其一，氣體液體的壓強(qiáng)的方向問題：由于氣體分子向各個方向都有運(yùn)動，因此，氣體

8、內(nèi)部壓強(qiáng)指向各 個方向；液體分子運(yùn)動也是各個方向都有，同時分子之間的排斥作用也是各個方向都有，因此液體壓強(qiáng)也 是指向各個方向的。當(dāng)選定研究對象（浸入氣體、液體的物體，或者一段氣柱、液柱），則周圍氣體、液 體對其壓強(qiáng)都是垂直研究對象表面的。其二，氣體、液體壓強(qiáng)的傳遞問題：當(dāng)氣體封閉與一個容器時（不考慮氣體重力），由于分子的自由 運(yùn)動和分子間的相互撞擊，必將導(dǎo)致氣體壓強(qiáng)處處相同；而液體分子之間也是相互擠壓（分子斥力），因 此也存在和氣體類似的壓強(qiáng)“傳遞”。（3）固體壓強(qiáng)一個木塊放在桌子上，求木塊對桌面的壓強(qiáng)，這需要先求出木塊對桌面的壓力。這時我們以木塊為研 究對象，注意，木塊上表面是受到了大氣壓力

9、的，一個有趣的問題是，木塊下方有沒有大氣壓呢？這取決 于木塊和桌面的粗糙程度一一一般情況下，木塊和桌面不可能是絕對平整的，也就是說木塊底部有空氣， 且與大氣相通，即木塊底面也受到向上的大氣壓力，其上下表面的大氣壓力大致相等，這就是我們平時進(jìn) 行受力分析時不分析大氣壓力的原因。我們繼續(xù)對木塊進(jìn)行受力分析一一其受到地球的吸引（向下的重力）和桌面的彈力（向上），兩者大 小相等時木塊平衡。由牛頓第三定律可知，木塊對桌面的壓力數(shù)值上等于木塊的重力，因此:mg注意，這個壓強(qiáng)必須等于這么多，才能夠與重力平衡，從而使物體處于平衡狀態(tài)?，F(xiàn)在討論木塊下面沒有空氣的情況一一如果木塊底部和桌面足夠平整，木塊下方空氣在

10、放置時已經(jīng)完 全排出，則由木塊的平衡，有：聽+ mg = F則木塊對桌面的壓強(qiáng)為:p=F=K=p0S+mg = p + mS S S 0 S當(dāng)橡膠皮碗兒扣在光滑墻壁或者衣柜表面時，先用力擠壓皮碗兒排出其內(nèi)空氣，則會導(dǎo)致皮碗兒內(nèi)側(cè) 氣壓減小，外側(cè)大氣壓大于內(nèi)側(cè)氣壓，必然使得皮碗兒被壓在墻壁或者衣柜表面上。這就是吸盤的原理。三、流體中的浮力問題1、浮力的產(chǎn)生由前述分析可知，流體處于重力場中且平衡時，越往下，其內(nèi)部壓強(qiáng)越大。一個浸入其中的物體，各 個側(cè)面都受到流體垂直表面的壓力，總體而言，下面受到向上的壓力大于上面受到的向下的壓力，下面、 上面壓力的矢量和向上，這就是流體對進(jìn)入其中物體的浮力。2、浮

11、力的計(jì)算（1）長方體很容易分析得出，長方體前后左右側(cè)面所受流體壓力平衡，合力為零；因此，我們只需要考慮長方體 上下表面的流體壓力。設(shè)上表面處的流體壓強(qiáng)為p，下表面處的流體壓強(qiáng)為p2,則有：腭 P2 S - P1S對于處于大氣中的液體，設(shè)液體密度基本不變，由平衡條件可知液體內(nèi)部壓強(qiáng)為P = P g奴長方體上下表面的在液體中的深度分別為、，則有F_= pS - pS = （p +P gh ） S - （p +p gh ） S = p g （h - h ） S = p V浮 21020121其中，V為長方體體積，即排開液體的體積。氣體浮力分析與液體類似，不再贅述。F = pS，將這個壓力水平、豎直p

12、 = F sin 0 = pS sin 0 = pS ,（2）一般形狀物體首先考慮一個傾斜表面在流體中所受流體壓力，如圖所示，則有:分解，得到其水平、豎直分量分別為：P = F cos 0 = pS cos 0 = pS ,其中Sx是該面的水平投影面積，七是該面的豎直投影面積。現(xiàn)考慮一般形狀物體，比如如圖所示形狀物體，由前述分析，我們可將其各處表面等效投影到相應(yīng)深 度的水平、豎直方向，從而將物體的形狀改造成如圖所示鋸齒形狀。很容易分析得知物體在豎直側(cè)面所受 水平壓力是平衡的。因此，我們自需要考慮豎直方向的流體壓力?，F(xiàn)進(jìn)一步將物體分割成如圖所示的形狀，則對每一豎條柱體（體積為V），其上下表面的壓力差就等于 F = P gV.，則易知整個物體所受的浮力表達(dá)式為F浮=P gV，其中V為整個物體體積。3、空氣浮力分析的注意事項(xiàng)對于大部分物體進(jìn)行受力分析時，我們基本上沒有考慮過空氣浮力，這是因?yàn)榭諝饷芏纫话氵h(yuǎn)小于物 體密度，因此其對物體的浮力遠(yuǎn)小于物體重力