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壓強 - 名稱發現:在17世紀那個時候,德國有一個熱愛科學的市長,名叫格里克.他是個博學多才的軍人,從小就喜歡聽聽伽利略的故事;愛好讀書,愛好科學;一直讀到萊比錫大學.1621年又到耶拿大學攻讀法律;1623年,再到萊頓大學鑽研數學和力學.

1、物理意義:反映壓力作用效果的物理量

壓強壓強

2、定義:物體單位面積上受到的壓力叫做壓強。

3、單位:國際制主單位:帕斯卡簡稱帕(Pa)1Pa=1N/m2

1 壓強 -名稱發現

在17世紀那個時候,德國有一個熱愛科學的市長,名叫格里克.他是個博學多才的軍人,從小就喜歡聽聽伽利略的故事;愛好讀書,愛好科學;一直讀到萊比錫大學.1621年又到耶拿大學攻讀法律;1623年,再到萊頓大學鑽研數學和力學.他讀了三所大學,知識面很廣,上知天文,下識地理;什麼數理、法律、哲學工程等等,無所不知,無所不通.因此,他能在軍旅中過活;又可在政界中立足;更能在科學界發言.他是1631年入伍,在軍隊中擔任軍械工程師,工作很出色.後來,投身政界,1646年當選為馬德堡市市長.無論在軍旅中,還是在市府內,都沒停止科學探索.

1654年,他聽到托里拆利的事兒,又聽說還有許多人不相信大氣壓;還聽到有少數人在嘲笑托里拆利;再聽說雙方爭論得很激烈,互不相讓,針鋒相對.因此,格里克雖在遠離義大利的德國,但很抱不平,義憤填膺.

他匆匆忙忙找來玻璃管子和水銀,重新做托里拆利這個實驗,斷定這個實驗是準確無誤的;再將一個密封完好的木桶中的空氣抽走,木桶就「砰!」的一聲被大氣「壓」碎了!

有一天,他和助手做成兩個半球,直徑14英寸,即30多厘米,並請來一大隊人馬,在市郊做起「大型實驗」.

壓強玻璃管
這年5月8日的這一天,美麗的馬德堡市風和日麗,晴空萬里,十分爽朗,一大批人圍在實驗場上,熙熙嚷嚷十分熱鬧.有的說這樣,有的說那樣;有的支持格里克,希望實驗成功;有的斷言實驗會失敗;人們在議論著,在爭論著;在預言著;還有的人一邊在大街小巷裡往實驗場跑,一邊高聲大叫:「市長演馬戲了!市長演馬戲了—」格里克和助手當眾把這個黃銅的半球殼中間墊上橡皮圈;再把兩個半球殼灌滿水后合在一起;然後把水全部抽出,使球內形成真空;最後,把氣嘴上的龍頭擰緊封閉.這時,周圍的大氣把兩個半球緊緊地壓在一起.格里克一揮手,四個馬夫牽來八匹高頭大馬,在球的兩邊各拴四匹.格里克一聲令下,四個馬夫揚鞭催馬、背道而拉!好像在「拔河」似的.

「加油!加油!」實驗場上黑壓壓的人群一邊整齊地喊著,一邊打著拍子.4個馬夫,8匹大馬,都搞得渾身是汗.但是,銅球仍是原封不動.格里克只好搖搖手暫停一下.然後,左右兩隊,人馬倍增.馬夫們喝了些開水,擦擦頭額上的汗水,又在準備著第二次表現.格里克再一揮手,實驗場上更是熱鬧非常.16匹大馬,死勁抗拉,八個馬夫在大聲吆喊,揮鞭催馬……實驗的上的人群,更是伸長脖子,一個勁兒地看著,不時地發出「嘩!嘩!」的響聲.突然,「啪!」的一聲巨響,銅球分開成原來的兩半,格里克舉起這兩個重重的半球自豪地向大家高聲宣告:「先生們!女士們!市民們!你們該相信了吧!大氣壓是有的,大氣壓力是大得這樣厲害!這麼驚人!……」實驗結束后,仍有些人不理解這兩個半球為什麼拉不開,七嘴八舌地問他,他又耐心地作著詳盡的解釋:「平時,我們將兩個半球緊密合攏,無須用力,就會分開.這是因為球內球外都有大氣壓力的作用;相互抵消平衡了.好像沒有大氣作用似的.今天,我把它抽成真空后,球內沒有向外的大氣壓力了,只有球外大氣緊緊地壓住這兩個半球……」.

通過這次「大型實驗」,人們都終於相信有真空;有大氣;大氣有壓力;大氣壓很驚人,但是,為了這次實驗,格里克市長竟花費了4千英鎊.

2 壓強 -定義解釋

壓強連通器
(1)定義

①垂直作用在物體表面並指向表面的力叫做壓力。
②物體的單位面積上受到的壓力的大小叫做壓強。

(2)單位

在國際單位制中,壓強的單位是帕斯卡,簡稱帕(這是為了紀念科學家帕斯卡Blaisepascal而命名的),即牛頓/平方米。壓強的常用單位有千帕、標準大氣壓、托、千克力/平方厘米、毫米水銀柱等等。(之所以叫帕斯卡是為了紀念法國科學家帕斯卡)

(3)公式:p=F/S

p表示壓強,單位帕斯卡(簡稱帕,符號Pa)F表示壓力,單位牛頓(N)S表示受力面積,單位平方米

(4)說明

①不少學科常常把壓強叫做壓力,同時把壓力叫做總壓力。這時的壓力不表示力,而是表示垂直作用於物體單位面積上的力。所以不再考慮力的矢量性和接觸面的矢量性,而將壓力作為一個標量來處理。在中學物理中,為避免作用力和單位面積作用力的混淆,一般不用壓力來表示壓強。

②應力和壓強

物體由於外因或內因而變形時,在它內部任一截面的兩方即出現相互的作用力,單位截面上的這種作用力叫做應力。一般地說,對於固體,在外力的作用下,將會產生壓(或張)形變和切形變。因此,要確切地描述固體的這些形變,我們就必須知道作用在它的三個互相垂直的面上的力的三個分量的效果。這樣,對應於每一個分力Fx、Fy、Fz、以作用於Ax、Ay、Az三個互相垂直的面,應力F/A有九個不同的分量,因此嚴格地說應力是一個張量。

由於流體不能產生切變,不存在切應力。因此對於靜止流體,不管力是如何作用,只存在垂直於接觸面的力;又因為流體的各向同性,所以不管這些面如何取向,在同一點上,作用於單位面積上的力是相同的。由於理想流體的每一點上,F/A在各個方向是定值,所以應力F/A的方向性也就不存在了,有時稱這種應力為壓力,在中學物理中叫做壓強。壓強是一個標量。壓強(壓力)的這一定義的應用,一般總是被限制在有關流體的問題中。垂直作用於物體的單位面積上的壓力。若用P表示壓強,單位為帕斯卡(1帕斯卡=1牛頓/平方米)

對於壓強的定義,應當著重領會四個要點:

1.受力面積一定時,壓強隨著壓力的增大而增大。(此時壓強與壓力成正比)

2.同一壓力作用在支承物的表面上,若受力面積不同,所產生的壓強大小也有所不同。受力面積小時,壓強大;受力面積大時,壓強小。

3.壓力和壓強是截然不同的兩個概念:壓力是支持面上所受到的並垂直於支持面的作用力,跟支持面面積大小無關。壓強是物體單位面積受到的壓力。

4.壓力、壓強的單位是有區別的。壓力的單位是牛頓,踉一般力的單位是相同的。壓強的單位是一個複合單位,它是由力的單位和面積的單位組成的。在國際單位制中是牛頓/平方米,稱「帕斯卡」,簡稱「帕」。

3 壓強 -單位換算

壓強壓強
在國際單位制中,壓強的單位是帕斯卡,簡稱帕,即牛頓/米2。壓強的常用單位有巴、標準大氣壓、托、千克力/厘米2、毫米水銀柱等等。壓強單位帕斯卡(Pa)巴(bar)工程大氣壓(at)標準大氣壓(atm)托(torr)磅每平方英寸(psi)
1Pa≡1N/m²=10−5bar≈10.197×10−6at≈9.8692×10−6atm≈7.5006×10−3Torr≈145.04×10−6psi
1bar=100000Pa≡106dyn/cm²≈1.0197at≈0.98692atm≈750.06Torr≈14.504psi
1at=98066.5Pa=0.980665bar≡1kgf/cm²≈0.96784atm≈735.56Torr≈14.223psi1atm=101325Pa=1.01325bar≈1.0332at≡101325Pa=760Torr≈14.696psi
1Torr≈133.322Pa≈1.3332×10−3bar≈1.3595×10−3at≈1.3158×10−3atm≡1mmHg≈19.337×10−3psi
1psi≈6894.76Pa≈68.948×10−3bar≈70.307×10−3at≈68.046×10−3atm≈51.715Torr≡1lbf/in²

4 壓強 -液體壓強

壓強壓強裝置
(1)產生原因

由於液體受到重力作用,且具有流動性,所以液體對容器底和容器側壁有壓強,液體內部向各個方向都有壓強。

(2)特點

液體對容器底和側壁有壓強,液體內部向各個方向都有壓強。液體的壓強隨深度增加而增大;在同一深度,液體向各個方向的壓強相等;不同液體的壓強還跟密度有關。

(3)液體壓強的計算公式p=ρ液gh的推導過程可以按下面的步驟思考:1。這個液柱的體積是多大?
v=Sh

2。這個液柱的質量是多大?
m=pV=pSh

3。這個液柱有多重?對平面的壓力是多少?
F=G=mg=pgSh

4。平面受到的壓強是多少?p=F/S=pgh因此,深度為h處液體的壓強為p=pgh

(4)計算

液體壓強的計算公式是p=ρ液gh

式中ρ為液體密度,單位用kg/m3(千克/立方米);g=9。8N/kg(一般不做要求時縮略為g=10N/kg);h是液體內某處的深度,單位用m;p為液體壓強,單位用Pa。

由公式p=ρgh可知,液體的壓強大小隻跟液體的密度ρ、深度h有關,跟液體重、體積、底面積大小等其他因素都無關。由公式p=ρgh還可歸納出:當ρ一定,即在同一種液體中,液體的壓強p與深度h成正比;在不同的液體中,當深度h相同時,液體的壓強p與液體密度ρ成正比。也可根據壓強公式P=F/s求得。

5 壓強 -大氣壓強

壓強大氣壓強
大氣壓強  

地面上空氣的範圍極廣,常稱「大氣」。離地面200公里以上,仍有空氣存在。雖其密度很小,但如此高的大氣柱作用於地面上的壓強仍然極大。人體在大氣內毫不感覺受到氣壓的壓迫,這是因為人體的內外部同時受到氣壓的作用且恰好都相等的緣故。

從地球表面延伸至高空的空氣重量,使地球表面附近的物體單位面積上所受的力稱為「大氣壓強」。大氣壓強的測量通常以水銀氣壓計的水銀柱的高來表示。地面上標準大氣壓約等於76厘米高水銀柱產生的壓強。由於測量地區等條件的影響,所測數值不同。根據液體壓強的公式P=ρgh,水銀的密度是13.6×103千克/米3,因此76厘米高水銀柱產生的壓強是P=13.6×103千克/米3×9.8牛頓/千克×0.76米=1.013×105牛頓/米2=1.013×100000帕斯卡=1amt=1mmHg。

1.大氣壓強

大氣對浸在它裡面的物體產生的壓強叫大氣壓強,簡稱大氣壓或氣壓。

①大氣壓強是指地球上某個位置的空氣產生的壓強地球表面的空氣受到重力作用,由此而產生了大氣壓強.地球上面的空氣層密度不是相等的,靠近地表層的空氣密度較大,高層的空氣稀薄,密度較小.大氣壓強既然是由空氣重力產生的,高度大的地方,它上面空氣柱的高度小,密度也小,所以距離地面越高,大氣壓強越小.通常情況下,在2千米以下,高度每升高12米,大氣壓強降低1毫米水銀柱.

②氣體和液體都具有流動性,它們的壓強有相似之處、大氣壓向各個方向都有,在同一位置各個方向的大氣壓強相等.但是由於大氣的密度不是均勻的,所以大氣壓強的計算不能應用液體壓強公式.

③被密封在某種容器中的氣體,其壓強是大量的做無規則運動的氣體分子對容器壁不斷碰撞而產生的.它的大小不是由被封閉氣體的重力所決定的.

2.大氣壓產生的原因

地球周圍包著一層厚厚的空氣,它主要是由氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣和氦、氖、氬等氣體混合組成的,通常把這層空氣的整體稱之為大氣.它上疏下密地分佈在地球的周圍,總厚度達1000千米,所有浸在大氣里的物體都要受到大氣作用於它的壓強,就像浸在水中的物體都要受到水的壓強一樣.

大氣壓產生的原因可以從不同的角度來解釋.課本中主要提到的是:空氣受重力的作用,空氣又有流動性,因此向各個方向都有壓強.講得細緻一些,由於地球對空氣的吸引作用,空氣壓在地面上,就要靠地面或地面上的其他物體來支持它,這些支持著大氣的物體和地面,就要受到大氣壓力的作用.單位面積上受到的大氣壓力,就是大氣壓強;第二,可以用分子運動的觀點解釋(分子運動論的知識將來初三會學到).因為氣體是由大量的做無規則運動的分子組成,而這些分子必然要對浸在空氣中的物體不斷地發生碰撞.每次碰撞,空氣分子都要給予物體表面一個衝擊力,大量空氣分子持續碰撞的結果就體現為大氣對物體表面的壓力,從而形成大氣壓.若單位體積中含有的分子數越多,則相同時間內空氣分子對物體表面單位面積上碰撞的次數越多,因而產生的壓強也就越大.利用分子運動論的觀點可以解釋:為什麼大氣層不均勻分佈,能造成大氣壓下高上低的現象.

4.氣體壓強與體積的關係

這裡所說的氣體壓強並不是指大氣壓強,而是指一定質量的氣體的壓強.

由於氣體的壓強實質上是大量的做無規則運動的氣體分子與容器壁不斷碰撞而產生的,因此當其他條件不變的情況下,氣體體積減小會使氣體分子與容器壁碰撞的次數增多而使壓強增大.

在溫度不變時,一定質量的氣體體積越小,壓強越大;體積越大,壓強越小.

5.沸點與大氣壓的關係

實驗表明,一切液體的沸點,都是氣壓減小時減小,氣壓增大時增大,同種液體的沸點不是固定不變的.說水的沸點是100℃必須強調是在標準大氣壓下.由於氣壓隨高度增加,所以水的沸點隨高度降低,例如:海拔1000米處水沸點約105℃,3千米處約97℃,在海拔8848米的珠穆朗瑪峰頂,水很難沸騰,因而在高山上燒飯要用不漏氣的高壓鍋,鍋內氣壓可以高於標準大氣壓,使水沸點高於100℃,不但飯熟得快,還可以節省燃料.

8.標準大氣壓強

大氣壓強不但隨高度變化,在同一地點也不是固定不變的,通常把1.01325×10/5(次冪)Pa的大氣壓強叫做標準大氣壓強。它相當於760mm水銀柱所產生的壓強。標準大氣壓強的值在一般計算中常取1.01×10/5(次冪)Pa(101Pa),在粗略計算中還可以取作10/5(次冪)Pa(100KPa)。

9.大氣壓強與海拔高度

在海拔3000m之內,每上升10m大氣壓強約減小100Pa,每上升12m大氣壓強約減小1mmHg。

6 壓強 -相關實驗

壓強托里拆利實驗
托里拆利實驗

托里拆利實驗測出了大氣壓強的具體數值.,在長約1m、一端封閉的玻璃管里灌滿水銀,將管口堵住,然後倒插在水銀槽中,放開堵管口的手指時,管內水銀面下降一些就不再下降,這時管內外水銀面的高度差為760mm.

管內留有760mm高水銀柱的原因正是因為有大氣壓的存在.由液體壓強的特點可知,水銀槽內液體表面的壓強與玻璃管內760毫米水銀柱下等高處的壓強應是相等的.水銀槽液體表面的壓強為大氣壓強,由於玻璃管內水銀柱上方是真空的,受不到大氣壓力的作用,管內的壓強只能由760mm高的水銀柱產生.因此,大氣壓強銀760毫米高水銀產生的壓強相等.

通常情況下,表示氣體壓強的常用單位有帕斯卡、毫米水銀柱(毫米汞柱)、厘米水銀柱(厘米汞柱)、標準大氣壓,它們的符號分別是pa、mmhg、cmhg、atm.

7 壓強 -相關說明

不少學科常常把壓強叫做壓力,同時把壓力叫做總壓力。這時的壓力不表示力,而是表示垂直作用於物體單位面積上的力。所以不再考慮力的矢量性和接觸面的矢量性,而將壓力作為一個標量來處理。
在中學物理中,為避免作用力和單位面積作用力的混淆,一般不用壓力來表示壓強。

應力和壓強

物體由於外因或內因而變形時,在它內部任一截面的兩方即出現相互的作用力,單位截面上的這種作用力叫做應力。

一般地說,對於固體,在外力的作用下,將會產生壓(或張)形變和切形變。因此,要確切地描述固體的這些形變,我們就必須知道作用在它的三個互相垂直的面上的力的三個分量的效果。這樣,對應於每一個分力Fx、Fy、Fz、以作用於Ax、Ay、Az三個互相垂直的面,應力F/A有九個不同的分量,因此嚴格地說應力是一個張量。

由於流體不能產生切變,不存在切應力。因此對於靜止流體,不管力是如何作用,只存在垂直於接觸面的力;又因為流體的各向同性,所以不管這些面如何取向,在同一點上,作用於單位面積上的力是相同的。由於理想流體的每一點上,F/A在各個方向是定值,所以應力F/A的方向性也就不存在了,有時稱這種應力為壓力,在中學物理中叫做壓強。壓強是一個標量。壓強(壓力)的這一定義的應用,一般總是被限制在有關流體的問題中。

壓強不是矢量

既然壓強是脅強的一種,這已經說明壓強不是矢量了.對此,還可以進一步說明如下:取包含物體內任一點O的面元ds,任意力F或dF作用在該面元上,與面元的法線方向夾角,如圖(2).力F對面元ds產生的壓強是F在ds的法冋分量與ds的比值Fy/ds,F在與ds平行方向的分量Fx對面元ds說來是切強(切脅強).再取包含O點在內的與ds正交的面元ds',不難看出,這時FY/ds』是切強,Fx/ds』是壓強。這說明:同一力作用在同一點上,由於所取面元的方位不同,產生的效果也不一樣,就是說壓強與所取面元的方向有關.於是,在研究壓強時不僅要考慮力的方向,還應該確定面的方向;通常取面元的正法線方向為面的方向,這樣,面也是矢量.

由公式F=pS可知:F是矢量,S(ds)也是矢量,且F的方向與S的方向總是一致的,p必然不能是矢量.因為如果P也是矢量,則P與S的乘壓強不是矢量,其實也不是標量.因為決定脅強的力和面積都是矢量,每個矢量都有三個分量.在彈性力學中,脅強是由力和面積決定的量有九個分量的量,稱為張量。而壓強則是張量中最簡單的一個量,關於張量的概念和運算,已超出中學物理的範圍,我們在此從略.

8 壓強 -帕斯卡的科學貢獻 

壓強帕斯卡
帕斯卡是法國數學家、物理學家。他沒有受過正規的學校教育,但由於有良好的家庭教育,加上他自己聰明好學,因此語文學得很好,數學也學得很出色。16歲時參加了巴黎數學家和物理學家小組的學術活動,並發表了一篇有關圓錐曲線的出色論文,這篇論文使年輕的帕斯卡名聲大震,正式踏進了法國學術界的大門,取得了一個又一個的成果。

帕斯卡在物理學方面的主要成就是對流體靜力學和大氣壓強的研究。1653年發現了液體傳遞壓強的規律,但到1663年(他死後的一年)才正式發表。他還指出盛有液體的容器的器壁上所受的壓強也僅跟深度有關。他還做了大氣壓強隨高度變化及虹吸現象等實驗。

帕斯卡對文學也極有造詣,對法國文學頗有影響。1962年,世界和平理事會曾推薦帕斯卡為被紀念的世界文化名人之一。

由於過度勞累,帕斯卡39歲就病逝於巴黎。為了紀念帕斯卡,用他的名字來命名壓強的單位——帕斯卡,簡稱「帕」。

9 壓強 -帕斯卡簡介

帕斯卡(BlaisePascal,1623—1662)法國數學家、物理學家、哲學家、散文家、發明家,1623年6月9日,出生於克萊蒙費朗。帕斯卡從小就表現出對科學的濃厚興趣,16歲時,帕斯卡寫了一篇《圓錐曲線之幾何》,提出了圓錐曲線內接六邊形其三對邊的交點共線的重要定理(后稱「帕斯卡定理」),並從該定理出發,導出了許多推論。

1641年,帕斯卡隨父遷居魯昂,他父親是稅官,需作大量的計算,極耗精力。帕斯卡苦思冥想,多次試驗,為他父親設計了一種加法器,大大地提高了效率。這是人類第一架機械數學計算器。

1646年前後,帕斯卡皈依了宗教教義,成為一個虔誠的宗教聖徒。但他對科學研究仍保持了濃厚的興趣。帕斯卡改良了氣壓計,驗證了托里拆利的實驗,並且仔細研究了真空,總結並更正了前人對真空的看法,於1647—1648年間,發表了有關真空問題的論文,大大地提高了他的聲譽。帕斯卡用氣壓計測定了各處大氣壓的值,發現大氣壓隨高度而變化,證實了大氣壓是由大氣層的重量而產生。

1647年,帕斯卡重新回到巴黎,他長期勞累,體質很差,醫生要他休息;但是,內心永遠騷動不安,力求徹底和無限的帕斯卡,從來就沒有停止「全真全善」的科學研究。他發表了有關溶液平衡,空氣密度和重量,三角學等許多內容;他研究了代數式中二項式展開的係數規律(西方稱「帕斯卡三角」中國稱「楊輝三角」);他發明了注射器;他做了「裂桶實驗」,證明了液體內部壓強P=ρgh;同時,他還研究了液體傳遞外部壓強的規律,1653年,他在《液體平衡的論述》一文中,闡述了液體傳遞壓強的規律:加在密閉液體上的壓強,能夠大小不變地被液體向各個方向傳遞。並由此研製了水壓機,進而闡明了連通器的原理,並用物體浸在水中上下壓力差說明了浮力的大小;他的最後一篇論文,是關於概率計算的,於是,他和費爾馬(法國,1601—1665),惠更斯(荷蘭,1629—1695)一起奠定了概率論的數學理論基礎。

1655年,帕斯卡進入與世隔絕的神學中心——巴黎附近的披特壘阿爾。1662年,憂鬱而深思的帕斯卡與世長辭,年僅39歲。後人為了紀念帕斯卡在科學上的貢獻,就把壓強的單位牛頓/米2命名為帕斯卡:1帕斯卡=1牛頓/米2。

10 壓強 -相關詞條

光導纖維質量守恆定律慣性 浮力
超導物理粒子物理學絕緣體槓桿
液體高壓物理學 光波 曲線運動 
 高能物理學物理感測器動能布朗運動
固體 物理力學導體壓強

 

 

 

11 壓強 -參考資料

[1] 科學新課程 http://kx.kpcn.org/index.asp

[2] 物理教育網 http://www.wuli.com.cn/

[3] 中國課件站 http://www.cnkjz.com/download.asp?yid=41091

 

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