【第09.02讲】似水柔情也刚强

【第9.02讲】似水柔情也刚强

同学们好！欢迎来到物理老师讲物理。

电影中常有这样的镜头，警察用高压水枪来驱散游行的群众，强劲的水柱瞬间将人群推倒、冲散。在我们身边，常见高压水枪被用于洗车。也有些工厂，用高压空气来清洁机床或者零件的。可见，不仅固体可以产生压力，看似柔弱的液体、气体也可以产生压力，并且威力不小。它们同样也有压强。液体和气体都没有固定的形状，很容易流动，统称为流体。流体的压强有其不同于固体的独特的规律。这一讲，咱们就专门谈谈液体的压强，下一讲咱们再聊气体的压强。

都说“柔情似水”，液体与固体最显著的区别，就在于液体有流动性，而固体没有。

1kg的铁块放在桌面上，只要桌面能从底部托起它，给它一个“向上的”支持力就可以放稳了。但是1kg的水要想放稳，光靠桌面从底部托住行吗？显然不行，水会流走的。只有像水杯那样，有底还有壁的容器才能装得住水。对吧？那你觉得，水杯盛水时，除了水杯底会受压，水杯壁有没有受到水的压力呢？肯定也有。不信你在壁上戳个洞，就会看到水喷流而出。咱们防洪用的堤坝，如果修得不够结实，就会被汹涌的洪水给冲垮。这都说明液体对各个方向阻碍其流动的物体都会产生压力，在各个方向也都存在压强。液体的压强，既表现在 与液体相接触的物体表面，也表现在液体内部。

也许会有人问，杯中的水 在向上的方向有压强吗？我可以告诉你，在液体内部，各个方向，包括向上的方向，都会有压强，并且在同一深度处向各个方向的压强都一样。为什么会这样呢？

我们假设用一颗QQ糖代表一滴水，那满满一大桶的QQ糖就相当于一杯水，你可以想象的到，下面的糖粒一定被压得变了形，对不对？想象你自己是这罐子中的一颗糖，你一定会感受到来自四面八方的挤压。上面的糖兄弟在压着你，前后左右的糖粒也在挤着你。同样，你也压着你脚下的糖兄弟，同时承受着他对你的反作用力。这时候，如果你身边哪个兄弟挤的力气大了些，那你们就会一拥而上，顺着他挤的方向被推出去了，直到各个方向的挤压都相等了，才会平静下来。然后，大家一起被挤着，相安无事。

这么一想，关于液体的压强，是不是更容易理解了？

为了探究液体压强的特点，课本上设计了一个演示实验，利用U形管压强计探测液体的压强。U形管压强计的探头是一个蒙着橡皮膜的空金属盒。探头通过软管与U形管相通，U形管内盛有一段红色液体。开始检测前，U形管两边液面相平。将探头插入水箱中后，由于液体压强的作用，探头上的薄膜就会变形，传导至U形管，导致其两边液面出现高度差。这个高度差的大小，就反映了薄膜所受压强的大小。

通过实验，我们会发现液体内部的压强有这么几个特点：

1.液体内部向各个方向都有压强。

2.在同一深度处 ，各个方向的压强相等。

3.液体中越深的地方，压强越大。

4.液体的压强还与液体的密度有关，深度相同时，液体的密度越大，压强越大。

你注意到了没有，实验只是定性地找出了压强的特点。液体压强的大小具体是多少，实验并没有给出答案，还需要我们进一步探究。

我们知道水杯对支承它的桌面有压力，水杯与桌面之间的压强等于水杯的重量与杯底面积之比。同样的，杯中的水对杯底也有压力。如果我们假设杯子内部是一个圆柱体的空间，那么底部水的压强就应该是，一杯水的重力与杯内底部的面积之比。再进一步，水中任意位置的压强，应该等于该深度以上部分的水的重量与该处截面面积之比。这样就不难计算了。

假设圆柱体的底面积和截面积都是S，某处深度为h，水的密度为ρ，则该部分水的重量G=m·g=ρSh·g。重量与面积之比即压强，于是推导出p=ρgh.

下面着重谈谈对液体压强公式p=ρgh的理解：

1.这里的h是液体的深度，不是高度。深度是从液面向下量，高度是从底向上量。

2.从公式可知，液体内部的压强只与液体的密度和液体的深度两个因素有关，与液体的多少，也就是液体的体积、质量、重力等因素无关；也与容器的形状无关。

3.只有当密度ρ的单位是“kg/m^3”，深度h的单位是“m”时，压强P的单位才是“Pa”。

4.p=F/S是压强的定义式，它对于固体、液体和气体都适用；p=ρgh是计算公式，只适用于液体内部压强的计算。

例如：一容器上大下小，盛有深度为h的水，求容器底受到水的压强和压力。

此题压强的计算就只能用p=ρgh这个公式计算，而压力就只能用F=PS来计算，S是容器底的面积，单位是m^2。因为这不是一个圆柱体的容器，不可以再用容器内水的重力来计算压强。

下面，我们一起来探究一种特别的容器。它由几个容器组合而成，上端开口，下端连通，称做连通器。

连通器看起来简单，可用途很大。生活中如水壶、船闸、水位计、牲畜自动喂水器等等都是连通器。

连通器原理：连通器中装相同的液体，当液体不流动时，各容器中的液面总是相平的。其实这个道理也不难，我们已经知道液体压强只与密度和深度两个因素有关，对于同种液体而言，压强只与深度有关。我们考察连通器最底部的液体，它既然静止就说明两边的压强相等，所以两边的液体深度也就必然相等，其结果不就是液面相平嘛。

【小结一下】

这一讲我们讨论了液体的压强，由于液体具有流动性，它表现出不同于固体的规律。

液体内部各个方向都有压强，且同一位置各方向的压强相等。

液体内部的压强只与液体的密度和所处的深度两个因素有关，与液体的体积、质量、重力等因素无关；也与容器的形状也无关。其计算公式为p=ρgh。

连通器是上端开口，下端连通的几个容器。连通器中装相同的液体，当液体不流动时，各容器中的液面总是相平的。

【思考题】

水杯对桌面产生压强是由于水杯自身的重力，液体内部产生压强是因为液体自身的重力和有流动性。如果用力向下压水杯，水杯对桌面的压强会增加。那如果用一个密封的活塞向下压杯中的水，水的压强会怎么变化？如果用力压缩连通器中某一个容器内的液体，其它各处的液体压强将如何变化？

今天就到这儿，下一讲再见！