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10. (★★★)五一期间,小明和家人到商场选购节日礼物。爱观察、好动脑的小明注意到商场工作人员正在给鱼缸注水,他发现缸内的水面高于缸口液面,如图9-19甲所示,更神奇的是水在向高处流。小明非常好奇,于是和学习小组同学开展了设计神奇鱼缸的活动。
任务一:了解负压鱼缸
小组同学通过查阅资料知道这种鱼缸叫负压鱼缸,“负压”是低于一个标准大气压的气体压力状态。负压鱼缸的结构采用独特设计,该设计使负压鱼缸顶部保持负压状态,水不会从缸底出口流出。一般负压鱼缸配有电子控制系统以及一台负压真空泵(抽气机),如图9-19乙所示,可以通过抽吸形成一定负压。这种负压鱼缸(填“属于”或“不属于”)连通器,鱼缸换水时要排出竖直缸内的水,此时真空泵需要(填“增加”或“减少”)鱼缸内空气。
任务二:制作负压鱼缸
热爱动脑筋的小明想起了托里拆利实验,按照大气压强为$10^5\ \mathrm{Pa}$计算,根据图9-19乙给出的条件,计算出负压缸顶部液面上方的气压为Pa,鱼缸底部位置所受液体压强为Pa($\rho_{\mathrm{水}}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$,$g$取$10\ \mathrm{N/kg}$)。小组同学提出这种负压鱼缸和盆景自动供水装置(图9-19丙)的原理相同,同学们用玻璃瓶灌满水后倒立水盆中,瓶中的水不会流出,将瓶口在水面下固定后就制作了一个简易的负压鱼缸,如图9-19丁。小组同学提出,如果此时在A点开一个小洞,则玻璃瓶的水会从A点向上喷出。你认为他的说法正确吗?。
任务三:“负压”的应用(增氧泵增氧的原理)
如图9-19戊所示是另一个普通鱼缸中的增氧泵增氧的原理示意图。水泵工作时,水从进水管口吸入,从出水管口快速喷出,此时进气管下端口水的,空气就会通过进气管进入水中形成气泡,与水流一起从出水管口喷出。
任务一:了解负压鱼缸
小组同学通过查阅资料知道这种鱼缸叫负压鱼缸,“负压”是低于一个标准大气压的气体压力状态。负压鱼缸的结构采用独特设计,该设计使负压鱼缸顶部保持负压状态,水不会从缸底出口流出。一般负压鱼缸配有电子控制系统以及一台负压真空泵(抽气机),如图9-19乙所示,可以通过抽吸形成一定负压。这种负压鱼缸(填“属于”或“不属于”)连通器,鱼缸换水时要排出竖直缸内的水,此时真空泵需要(填“增加”或“减少”)鱼缸内空气。
任务二:制作负压鱼缸
热爱动脑筋的小明想起了托里拆利实验,按照大气压强为$10^5\ \mathrm{Pa}$计算,根据图9-19乙给出的条件,计算出负压缸顶部液面上方的气压为Pa,鱼缸底部位置所受液体压强为Pa($\rho_{\mathrm{水}}=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$,$g$取$10\ \mathrm{N/kg}$)。小组同学提出这种负压鱼缸和盆景自动供水装置(图9-19丙)的原理相同,同学们用玻璃瓶灌满水后倒立水盆中,瓶中的水不会流出,将瓶口在水面下固定后就制作了一个简易的负压鱼缸,如图9-19丁。小组同学提出,如果此时在A点开一个小洞,则玻璃瓶的水会从A点向上喷出。你认为他的说法正确吗?。
任务三:“负压”的应用(增氧泵增氧的原理)
如图9-19戊所示是另一个普通鱼缸中的增氧泵增氧的原理示意图。水泵工作时,水从进水管口吸入,从出水管口快速喷出,此时进气管下端口水的,空气就会通过进气管进入水中形成气泡,与水流一起从出水管口喷出。
答案
不属于
增加
$9×10^{4}$
3000
不正确
流速大，压强小
解析
【分析】
任务一：先明确连通器的定义，连通器需上端开口、底部相连通，负压鱼缸顶部为负压状态，不满足连通器的条件，因此不属于连通器；要排出竖直缸内的水，需让缸内气压大于外界大气压，所以真空泵要增加鱼缸内空气来提升内部气压。
任务二：根据外界大气压、内部气压与水柱压强的平衡关系$p_0 = p_{内} + \rho_{水}gh$，可计算负压缸顶部的气压；鱼缸底部的液体压强利用液体压强公式$p=\rho gh$计算，h取底缸的水深；A点开洞后，瓶内与大气相通，水会在重力作用下流出，不会向上喷出，故说法错误。
任务三：结合流体压强与流速的关系，流速越大的位置压强越小，水泵工作时出水管口水流速度快，进气管下端口水的流速大、压强小，空气被大气压压入水中。
【解析】
任务一：
连通器的判定条件是“上端开口、底部相连通”，负压鱼缸顶部处于负压状态，未与大气直接相通，不符合连通器特点，因此填不属于；
要排出竖直缸内的水，需使缸内气压大于外界大气压，所以真空泵需要增加鱼缸内的空气，提升内部气压。
任务二：
已知外界大气压$p_0=10^5\ \mathrm{Pa}$，负压缸内水柱高度$h=1\ \mathrm{m}$，根据$p_0 = p_{内} + \rho_{水}gh$，可得负压缸顶部液面上方的气压：
$p_{内}=p_0-\rho_{水}gh=1×10^5\ \mathrm{Pa}-1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×1\ \mathrm{m}=9×10^4\ \mathrm{Pa}$；
鱼缸底部位置的水深$h'=30\ \mathrm{cm}=0.3\ \mathrm{m}$，根据液体压强公式，所受液体压强：
$p=\rho_{水}gh'=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×0.3\ \mathrm{m}=3000\ \mathrm{Pa}$；
在A点开小洞后，瓶内与大气相通，水在重力作用下会流出，不会向上喷出，因此说法不正确。
任务三：
水泵工作时，出水管口水流速度快，根据流体压强与流速的关系，流速大的位置压强小，因此进气管下端口水的流速大，压强小，外界大气压将空气压入水中形成气泡。
【答案】
不属于；增加；$\boldsymbol{9×10^{4}}$；$\boldsymbol{3000}$；不正确；流速大，压强小
【知识点】
连通器的特点；大气压强的应用；流体压强与流速的关系
【点评】
本题综合考查连通器、大气压强、流体压强的相关知识，需要结合装置结构，灵活运用物理规律分析问题，对知识的综合应用能力要求较高。
【难度系数】
0.4
任务一：先明确连通器的定义，连通器需上端开口、底部相连通，负压鱼缸顶部为负压状态，不满足连通器的条件，因此不属于连通器；要排出竖直缸内的水，需让缸内气压大于外界大气压，所以真空泵要增加鱼缸内空气来提升内部气压。
任务二：根据外界大气压、内部气压与水柱压强的平衡关系$p_0 = p_{内} + \rho_{水}gh$，可计算负压缸顶部的气压；鱼缸底部的液体压强利用液体压强公式$p=\rho gh$计算，h取底缸的水深；A点开洞后，瓶内与大气相通，水会在重力作用下流出，不会向上喷出，故说法错误。
任务三：结合流体压强与流速的关系，流速越大的位置压强越小，水泵工作时出水管口水流速度快，进气管下端口水的流速大、压强小，空气被大气压压入水中。
【解析】
任务一：
连通器的判定条件是“上端开口、底部相连通”，负压鱼缸顶部处于负压状态，未与大气直接相通，不符合连通器特点，因此填不属于；
要排出竖直缸内的水，需使缸内气压大于外界大气压，所以真空泵需要增加鱼缸内的空气，提升内部气压。
任务二：
已知外界大气压$p_0=10^5\ \mathrm{Pa}$，负压缸内水柱高度$h=1\ \mathrm{m}$，根据$p_0 = p_{内} + \rho_{水}gh$，可得负压缸顶部液面上方的气压：
$p_{内}=p_0-\rho_{水}gh=1×10^5\ \mathrm{Pa}-1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×1\ \mathrm{m}=9×10^4\ \mathrm{Pa}$；
鱼缸底部位置的水深$h'=30\ \mathrm{cm}=0.3\ \mathrm{m}$，根据液体压强公式，所受液体压强：
$p=\rho_{水}gh'=1.0×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10\ \mathrm{N/kg}×0.3\ \mathrm{m}=3000\ \mathrm{Pa}$；
在A点开小洞后，瓶内与大气相通，水在重力作用下会流出，不会向上喷出，因此说法不正确。
任务三：
水泵工作时，出水管口水流速度快，根据流体压强与流速的关系，流速大的位置压强小，因此进气管下端口水的流速大，压强小，外界大气压将空气压入水中形成气泡。
【答案】
不属于；增加；$\boldsymbol{9×10^{4}}$；$\boldsymbol{3000}$；不正确；流速大，压强小
【知识点】
连通器的特点；大气压强的应用；流体压强与流速的关系
【点评】
本题综合考查连通器、大气压强、流体压强的相关知识，需要结合装置结构，灵活运用物理规律分析问题，对知识的综合应用能力要求较高。
【难度系数】
0.4
