固体和液体压力压强的特点和计算

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  固体有固定的体积和形状,不具有流动性;液体没有固定的形状且具有流动性。这决定了它们对支持面产生的压力和压强有不同的特点。
  在支持面水平,且压力仅由固体的重力产生的情况下,固体对支持面的压力容易确定,即[F=G总],然后可以根据[p=FS]计算出固体对水平支持面的压强。所以计算有关固体的压力和压强问题时,一般是先根据[F=G总]求压力,再用[p=FS]计算出压强。
  而计算液体压力压强问题时,应该注意到液体对容器底部产生的压力不一定等于液体的重力,这与盛装液体的容器形状有关,只有当容器是柱形时,液体对容器底部压力才等于液体重力。
  一、液体对容器底部的压力与所盛液体重力的关系
  液体内部的压强只与液体的密度和深度有关,与容器形状无关。所以在解液体压强问题时,应先根据液体压强公式p=ρgh求压强,再根据F=pS计算液体对容器底的压力。
  如图1所示,形状不同的三个容器装有密度为ρ、深度为h的液体,底面积均为S。根据液体压强计算公式,液体对容器底部的压强为p=ρgh,所以液体对容器底部的压力为F=pS=ρghS。液体的重力为G=mg=ρgV。因此,比较各容器底部受到液体的压力大小F与液体重力G的大小,只需要比较Sh(容器的底面积和高的乘积,即图1中两竖直虚线间所包围的体积)与V(液体的体积)之间的关系即可。
  图1甲为口大底小的容器,Sh  图1乙为柱状容器,Sh=V,所以容器底部受到的液体的压力等于液体的重力,即F=G。
  图1丙为口小底大的容器,Sh>V,所以容器底部受到的压力大于液体的重力,即F>G。可见,容器的形状不同,则容器底部受到的压力与所装液体的重力大小关系就不一样。
  还可以这样理解:甲容器口大底小,对液体提供向上支持力的不仅仅是容器底部,周围侧壁对液体也提供向上的支持力,这就减轻了液体对容器底部的压力,所以F  乙容器的侧壁对液体也有作用力,但方向是水平的,不能减轻液体对容器底部的压力,所以F=G。
  丙容器的侧壁对液体的力的方向向下(依据:压力的方向总是与接触面垂直),容器底部不仅要承受液体的重力,还要承受侧壁对液体向下的压力,所以F>G。
  由于液体对容器底部的压力并不一定等于液体的重力,所以在计算液体对容器底部的压力时,应先根据公式p=ρgh求出液体的压强,再根据F=pS求出压力。
  二、固体和液体压力压强的计算
  例1 如图2所示,甲、乙两实心正方体放在水平桌面上,它们对桌面的压强相等。已知甲、乙的边长比为1∶2,则甲、乙的密度比为( )。
  A.1∶2 B.2∶1
  C.1∶1 D.4∶1
  【解析】根据题意,已知甲、乙的压强以及高度(即边长)的关系,求密度,因而应选择关系式[p=ρ固gh]求解,进一步分析知:甲、乙单独自由放置于水平桌面上,且是正方体,它们对桌面的压强对应的受力面积就是甲、乙的底面积,因而满足固体压强计算公式的使用条件。则,由[p=ρ固gh],其中p相等,则[ρ]与[h]成反比,所以[ρ甲ρ乙=h乙h甲=21]。故答案选B。
  例2 如图3所示,一个未装满水的瓶子。正立放置在水平面上时,瓶对桌面的压强为p1,瓶底受到水的压力为F1;倒立放置时瓶对桌面的压强为p2,瓶盖受到水的压力为F2,则( )。
  A.p2=p1,F2=F1 B.p2  C.p2F1 D.p2>p1,F2  【解析】“瓶子对桌面的压强”属于固体压强范畴,且自由放置于水平面,则[F=G总],应用关系式[p=FS=G总S],由图知[S正>S倒],则p1S倒],因而[F1]与[F2]的大小关系不能确定。此时,我们应该想到,不管瓶子正立倒立,瓶内水的重力[G水]始终不变,我们可根据容器(液柱)的形状对应的液体对容器底压力[F]与[G水]大小关系来解答。正立时,形状为直柱体,因而[F1=G水];倒立时,形状类似“倒梯形”,因而[F2F2]。故答案选D。
  例3 如图4所示,平底茶壶的质量是400g,底面积是40cm2,内盛有0.6kg的开水,放置在面积为1m2的水平桌面中央。求:
  (1)水对茶壶底部的压强;
  (2)水对茶壶底部的压力;
  (3)茶壶对桌面的压强。
  (g取10N/kg)
  解:(1)h=12cm=0.12m
  p水=ρ水gh=1×103kg/m3×10N/kg×0.12m=1.2×103Pa
  (2)S=40cm2=4×10-3m2
  F水=p水S=1.2×103Pa×4×10-3m2=4.8N
  (3)m壶=400g=0.4kg,
  G总=(m水 m壶)g=(0.4kg 0.6kg)×10N/kg=10N
  因为茶壶自由放置于水平桌面上,则:
  F压=F支=G总=10N
  p求=[F压S]=[10N4×10-3m2]=2.5×103Pa.
  [【练一练】]
  1. 在水平桌面上放置一空玻璃杯,它的底面积为0.01m2,它对桌面的压强为200Pa。在玻璃杯中装入1kg水后,水对杯底产生的压强为900 Pa,求水的深度;并通过计算推测出玻璃杯的大致形状是图5(a)、(b)、(c)中的哪一种?(水的密度ρ=1.0×103kg/m3,g取10N/kg)
  2. 如图6所示,一开口的杯子,装上8cm高的水后,放在水平桌面上。已知杯子内部底面积为50cm2,外部底面积为60cm2;杯子装上水后的总质量为0.6 kg。求:
  (1)水对杯底的压力;
  (2)杯子对桌面的压强。
  (g取10N/kg)
  【练一练参考答案】
  1.水的深度h=[pρg]=
  [900Pa1.0×103kg/m3×10N/kg]=0.09m。
  水对容器底部的压力F=pS=900Pa×0.01m2=9N;容器内水的重力G=mg=1kg×10N/kg=10N。因为F  2.(1)先求水对杯底的压强p1=ρgh=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.08m=800Pa,再求水对杯底的压力F1=p1S1=800Pa×50×10-4m2=4N。
  (2)先求杯子对桌面的压力F=G=mg=0.6kg×10N/kg=6N,再求杯子对桌面的压强p2=[F2S2]=[6N60×10-4m2]=1000Pa。
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