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        旋轉式氣泡下沉演示儀的設計

        2021-12-13 05:55:04李鈺涵潘志民
        物理之友 2021年9期
        關鍵詞:試管氣泡加速度

        李鈺涵 潘志民

        (南京外國語學校,江蘇 南京 210008)

        氣泡是指液體內的一小團空氣或者某種氣體,由于表面張力作用而呈球狀。氣泡中的空氣或者氣體密度小于液體的密度,因此氣泡在液體中會受到浮力而上浮。2019年國際青年物理學家錦標賽(IYPT)的一道題目——“下沉的氣泡”改變了我們的想法,在一些實驗視頻里我們觀察到:裝有水的上下振動的試管等容器中氣泡會下沉到底部,令人稱奇。究竟是什么因素使水中的氣泡下沉呢?筆者做了以下的思考和研究。

        1 豎直試管中氣泡運動狀態(tài)分析

        2019年IYPT第16題(Sinking Bubbles,下沉的氣泡)原題如下:

        When a container of liquid (e.g. water) oscillates vertically, it is possible that bubbles in the liquid move downwards instead of rising. Investigate this phenomenon。

        該題要求對“在一個盛有液體(例如水)的容器垂直振動時,液體中的氣泡向下運動”的現(xiàn)象進行探究,首先對豎直試管中氣泡的運動狀態(tài)進行分析。

        當試管豎直放置、試管下部存在氣泡時,氣泡會上浮。如果處于完全失重的空間,比如在外太空環(huán)境中,氣泡不會上浮,就可能停留在水中的任何位置。在地面上,如何能造成失重的狀態(tài)呢?聯(lián)想到高中物理中學過的自由落體的失重狀態(tài),在做自由落體運動的電梯轎廂中,人們是感受不到重力的,也就是處于完全失重狀態(tài)。設想試管、水、氣泡一起做自由落體運動,相對于試管,氣泡可以停留在水中的任何位置,自由落體運動豎直向下的重力加速度是造成完全失重的原因。繼續(xù)分析可知:如果豎直試管運動時向下的加速度比重力加速度小,處于失重狀態(tài),氣泡還是會上浮。如果試管向下的加速度大于重力加速度,那么氣泡不但不會上浮,反而會下沉。上述現(xiàn)象如圖1所示,豎直試管中的氣泡在水中上浮、停留或者下沉,與豎直方向上的加速度有關系。

        圖1

        (1) 豎直試管無加速度或向下的加速度小于重力加速度,氣泡上??;

        (2) 豎直試管向下的加速度等于重力加速度(做自由落體運動),氣泡可懸浮在試管的任意位置;

        (3) 豎直試管向下的加速度大于重力加速度,氣泡下沉。

        2 水平試管中氣泡的運動

        試管中有水和氣泡,將試管水平放置,使氣泡停留在試管的中央部分。當使試管向前方做加速運動時,發(fā)現(xiàn)氣泡相對試管向前運動;而當試管有向后的加速度時,氣泡相對試管向后運動。如圖2所示,水平試管中的氣泡運動狀態(tài)與水平方向上的加速度有關系。

        圖2

        (1) 當水平試管在水平方向上沒有加速度時,氣泡相對試管靜止;

        (2) 當水平試管在水平方向上有向右的加速度時,氣泡向右移動;

        (3) 當水平試管在水平方向上有向左的加速度時,氣泡向左移動。

        3 傾斜試管中氣泡的運動

        為了把氣泡前后移動的實驗與氣泡下沉聯(lián)系起來,筆者設計了如下的實驗:將試管傾斜一定的角度放置,這時氣泡停留在試管的上方。為了讓氣泡下沉,需要使試管在水平方向上有一個加速度,并使這個加速度沿試管方向的分量由試管高端指向低端。這樣,當氣泡由于試管的水平加速度而要向前運動時,它同時在做下沉的運動(圖3)。氣泡在豎直方向上實際受到兩個力,一個是豎直向上的浮力,一個是由于水平加速度而導致的下沉的力。如果加速度導致氣泡下沉的力大于使它上浮的力,氣泡就會沿著傾斜的試管下沉到水底,在實驗中筆者也觀察到了這個現(xiàn)象。根據(jù)試管傾斜角度的不同,氣泡下沉所需要的加速度也不同。試管與水平方向的角度越小,越容易觀察到氣泡的下沉。反之,角度越大,也就是越接近豎直,越不容易觀察到氣泡的下沉。

        圖3

        如圖3所示,傾斜試管中的氣泡運動狀態(tài)與試管的加速度有關系。

        (1) 傾斜試管在水平方向上沒有加速度時,氣泡上?。?/p>

        (2) 傾斜試管在水平方向上有向右的加速度時,氣泡右移同時下沉。

        4 旋轉傾斜試管中氣泡運動的實驗研究

        通過實驗,筆者發(fā)現(xiàn)傾斜試管中的氣泡下沉的關鍵是使試管產(chǎn)生一個從高端指向低端方向上的加速度分量。這可以通過將試管固定在能夠水平移動的小車上來實現(xiàn),但很難使小車長時間持續(xù)加速。筆者又想到:除了水平方向上的平移加速運動有加速度之外,水平旋轉運動在半徑方向上也存在加速度,也就是做圓周運動的向心加速度。

        由此筆者設計了如下實驗:將試管傾斜擺放在一個旋轉的圓盤上,試管沿半徑方向固定,外側為高端,內側為低端。當圓盤旋轉時,會有一個水平方向的向心加速度,將該加速度沿垂直和平行于試管的兩個方向分解,平行于試管方向的加速度分量由試管高端指向低端,當圓盤轉得足夠快,該加速度達到一定大小時,試管中的氣泡沿著試管向低端下沉(圖4)。

        圖4

        5 旋轉式氣泡下沉演示儀的設計與實驗研究

        在做傾斜試管中氣泡運動實驗時,筆者設計了通過旋轉產(chǎn)生水平方向向心加速度的實驗方案,并制作了實驗裝置。實驗裝置如圖5所示,試管通過鎖緊裝置固定在支架上,支架標有角度。為了能夠產(chǎn)生旋轉,起先用手動方式旋轉平臺,但因為轉速大小不可控、持續(xù)時間較短等原因,又將其改進為利用電動轉臺作為旋轉載體。為克服轉速較快時人眼觀測不清楚的問題,筆者設計了彩色光照明裝置,并用彩色液體代替無色的水,改善演示效果的同時增加了演示實驗的趣味性。另外,為進一步增強演示效果,采用攝像頭與手機無線互聯(lián)的方式,實時、穩(wěn)定地觀察試管內氣泡的運動狀態(tài)。

        圖5

        演示儀設計制作完成后,我們進行了多次實驗,驗證了理論分析的結論。通過實驗發(fā)現(xiàn):試管傾斜角度越大,水中氣泡下沉到試管底部所需的轉速越高;當轉速固定時,試管傾斜角度越大,氣泡偏離頂端位置距離越小。部分實驗數(shù)據(jù)如表1、表2,表2中“L”代表試管全長,“0.8L”表示此時氣泡位于距離試管頂端0.8L處。

        表1 氣泡下沉到試管底部所需轉速與試管傾斜角度的關系

        表2 轉速固定時氣泡位置與試管傾斜角度的關系

        6 結語

        本研究首先通過對豎直試管中氣泡運動狀態(tài)的分析,得出水中氣泡的下沉與加速度有關的結論。然后對水平試管和傾斜試管中氣泡的運動進行了理論和實驗研究,確定水平方向加速度是改變氣泡運動狀態(tài)的關鍵因素,而且傾斜試管中氣泡下沉所需的加速度大小與試管傾斜角度有關。為了解決持續(xù)加速問題,提出了利用旋轉產(chǎn)生的向心加速度代替水平方向加速度,經(jīng)過實驗驗證,能夠產(chǎn)生良好的實驗效果。通過實驗研究發(fā)現(xiàn):試管傾斜角度越大,水中氣泡下沉到試管底部所需的轉速越高;當轉速固定時,試管傾斜角度越大,氣泡相對試管穩(wěn)定時偏離頂端位置距離越小。

        筆者所設計的實驗方案和演示儀器可用于中學物理教學中,實驗現(xiàn)象及其分析涉及浮力、慣性、向心力、力的分解等知識點。

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