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某教师用“试管爬升”的实验装置来实验验证大气压的存在,其做法如下:取两个直径相差很小的平底试管,将细管底部插入装满水的粗试管内,再将两试管迅速倒置(保持竖直),会看到细试管慢慢“爬进”粗试管里,如图所示,细试管能否在粗试管内竖直向上“爬升”,取决于开始时细试管插入粗试管的深度,如果插入过浅细试管就不能自动上升.
若细试管的重为G、外直径为d,水的密度为ρ0,大气压强为p0,请你通过推导计算,回答下列问题:

(1)细试管在“爬升”时,受到大气对它竖直向上的压力是多少?
(2)细试管开始插入的深度h0满足什么条件时,它刚好可以向上“爬升”?
人气:273 ℃ 时间:2020-05-23 00:17:29
解答
(1)大气压作用的面积:
S=πr2=π(
d
2
2=
πd2
4

根据p=
F
S
可得,细试管在“爬升”时受到大气对它竖直向上的压力:
F0=p0S=p0×
πd2
4
=
p0πd2
4

(2)细试管受力情况如图所示:

细管刚好能“爬升”时,细试管受力平衡,则
F0=G+F,
细试管受到水的压强:
p=p00gh0
细试管受到水的压力:
F=pS=(p00gh0)S,
∴p0S=G+(p00gh0)S,
解得:h0=
G
ρ0gS
=
G
ρ0
πd2
4
=
4G
πd2ρ0g

答:(1)细试管在“爬升”时,受到大气对它竖直向上的压力是
p0πd2
4

(2)细试管开始插入的深度h0不小于
4G
πd2ρ0g
时,它刚好可以向上“爬升”.
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