要求液体造成的压强,用 p = ρ × g × h。其中 ρ(rho)是液体的密度(density),g 是重力场强度,h 是水面以下的垂直深度。水坝、潜水员、水箱和潜艇的题目都会用到它。
这一课接在把压强与力和面积联系起来之后,属于固体与流体中的压强。
每个符号代表什么?
- p 是液体造成的压强,单位为帕斯卡(Pa)。
- ρ 是液体密度,单位 kg/m³。淡水大约是 1000 kg/m³。
- g 是重力场强度,用题目给的数值,通常是 10 N/kg。
- h 是从水面到该点的垂直深度,单位为米。
这条公式成立,是因为某点上方的液体有重量,这份重量压在每一平方米上。点越深,上方的液体越多。
解题步骤
- **确定液体及其密度。**需要时,把 g/cm³ 乘以 1000 换成 kg/m³。
- **找出垂直深度。**从水面笔直向下量,不要沿着斜面或管子量。
- 写出 p = ρgh 并代入,带上单位。
- **看清题目要什么。**如果要求物体受到的力,之后再用 F = p × A。
- 写出单位,并检查数值是否合理。
例题
水箱中淡水的垂直深度为 1.8 m。求水在箱底造成的压强。取 ρ = 1000 kg/m³,g = 10 N/kg。(自编示例数据。)
**步骤 1,公式:**p = ρgh。
**步骤 2,代入:**p = 1000 × 10 × 1.8。
**步骤 3,计算:**1000 × 10 = 10 000,10 000 × 1.8 = 18 000。
**答案:**p = 18 000 Pa,即 1.8 × 10⁴ Pa。
如果箱底有一块面积 0.050 m² 的检修盖,它受到的力是 F = 18 000 × 0.050 = 900 N。
要留意的错误
常见的失误是用倾斜管子的长度代替垂直深度。
**错误答案:**密度 800 kg/m³ 的油充满一根倾斜的管子。沿管子量,油柱长 1.0 m,但顶端只比底端高 0.50 m。学生用 h = 1.0 m,得到 8000 Pa。
压强只取决于垂直高度,所以学生用错了 h。
纠正:h = 0.50 m,p = 800 × 10 × 0.50 = 4000 Pa。养成习惯:从水面到该点画一条垂直线,用这条线的长度。
自我检测
取 g = 10 N/kg。
1. 水银的密度为 13 600 kg/m³。求 0.76 m 高的水银柱造成的压强。
显示答案
p = ρgh = 13 600 × 10 × 0.76 = 13 600 × 7.6 = 103 360 Pa。保留 3 位有效数字,为 1.03 × 10⁵ Pa。
2. 淡水在某点造成的压强为 30 000 Pa,该点有多深?(ρ = 1000 kg/m³)
显示答案
h = p ÷ (ρg) = 30 000 ÷ (1000 × 10) = 30 000 ÷ 10 000 = 3.0 m
3. 一根细管和一个宽阔的湖都装着淡水,各自有一点位于水面下 2.0 m。比较两处压强。
显示答案
两处都是 p = 1000 × 10 × 2.0 = 20 000 Pa。压强相等,因为液体、深度和 g 都相同。
接下来学什么
下一步,把公式变成文字论述:解释压强随深度变化的原因。遇到 U 形管时,请看压强计类图示。
会代入 p = ρgh 的学生,在考试压力下仍会在深度和单位上失分。这类规律正是我们的老师在线上一对一物理补习中会留意的。