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9.在家里做粗略测量大气压的实验时,因缺少大量程的弹簧测力计,小明同学设计实验并进行了如下的操作。
①如图所示,将塑料挂钩吸盘按压在光滑水平的玻璃板下表面,挤出塑料吸盘内的空气,测出吸盘的直径为$d$;
②将装有适量细沙的小桶轻轻地挂在吸盘的塑料挂钩上;
③用小勺轻轻地向小桶内加沙,直到塑料吸盘刚好脱离玻璃板,用天平测出这时小桶和沙的质量$m$。
请完成下列问题:
(1)吸盘脱离玻璃板时,若不计塑料挂钩的质量,空气对塑料吸盘的压力大小约为
(2)实验中产生误差的主要原因是:
①如图所示,将塑料挂钩吸盘按压在光滑水平的玻璃板下表面,挤出塑料吸盘内的空气,测出吸盘的直径为$d$;
②将装有适量细沙的小桶轻轻地挂在吸盘的塑料挂钩上;
③用小勺轻轻地向小桶内加沙,直到塑料吸盘刚好脱离玻璃板,用天平测出这时小桶和沙的质量$m$。
请完成下列问题:
(1)吸盘脱离玻璃板时,若不计塑料挂钩的质量,空气对塑料吸盘的压力大小约为
$mg$
。计算大气压数值的表达式为:$p_{大气压}=$$\dfrac{4mg}{π d^2}$
。(2)实验中产生误差的主要原因是:
吸盘内空气未完全排出
。(写出一条即可)答案
9.(1)$mg$ $\dfrac{4mg}{π d^2}$ (2)吸盘内空气未完全排出
解析
【分析】
要解决本题，需结合二力平衡原理和压强公式分析：当吸盘刚好脱离玻璃板时，空气对吸盘的压力与小桶和沙的总重力平衡，不计挂钩质量时，空气压力等于总重力；再通过吸盘的面积，利用压强公式推导大气压的表达式；实验误差主要源于吸盘内空气未排尽，影响压力测量。
【解析】
(1) 当塑料吸盘刚好脱离玻璃板时，吸盘在竖直方向受力平衡，不计塑料挂钩质量，空气对吸盘的压力等于小桶和沙的总重力，总重力为$ G = mg $，因此空气对吸盘的压力大小约为$ mg $。
吸盘的受力面积为圆的面积，$ S = π r^2 = π ( \frac{d}{2} )^2 = \frac{π d^2}{4} $。根据压强公式$ p = \frac{F}{S} $，将$ F = mg $代入，可得大气压数值：$ p_{大气压} = \frac{mg}{\frac{π d^2}{4}} = \frac{4mg}{π d^2} $。
(2) 若吸盘内空气未完全排出，吸盘内部会存在气压，抵消部分外界大气压，导致需要的小桶和沙的总重力偏小，使测量的大气压数值存在误差，这是实验误差的主要原因之一。
【答案】
(1) $ mg $；$ \dfrac{4mg}{π d^2} $ (2) 吸盘内空气未完全排出
【知识点】
大气压强、压强计算、受力平衡
【点评】
本题利用二力平衡和压强公式粗略测量大气压，考查学生对实验原理的理解与误差分析能力，是大气压强相关的基础实验题。
【难度系数】
0.6
要解决本题，需结合二力平衡原理和压强公式分析：当吸盘刚好脱离玻璃板时，空气对吸盘的压力与小桶和沙的总重力平衡，不计挂钩质量时，空气压力等于总重力；再通过吸盘的面积，利用压强公式推导大气压的表达式；实验误差主要源于吸盘内空气未排尽，影响压力测量。
【解析】
(1) 当塑料吸盘刚好脱离玻璃板时，吸盘在竖直方向受力平衡，不计塑料挂钩质量，空气对吸盘的压力等于小桶和沙的总重力，总重力为$ G = mg $，因此空气对吸盘的压力大小约为$ mg $。
吸盘的受力面积为圆的面积，$ S = π r^2 = π ( \frac{d}{2} )^2 = \frac{π d^2}{4} $。根据压强公式$ p = \frac{F}{S} $，将$ F = mg $代入，可得大气压数值：$ p_{大气压} = \frac{mg}{\frac{π d^2}{4}} = \frac{4mg}{π d^2} $。
(2) 若吸盘内空气未完全排出，吸盘内部会存在气压，抵消部分外界大气压，导致需要的小桶和沙的总重力偏小，使测量的大气压数值存在误差，这是实验误差的主要原因之一。
【答案】
(1) $ mg $；$ \dfrac{4mg}{π d^2} $ (2) 吸盘内空气未完全排出
【知识点】
大气压强、压强计算、受力平衡
【点评】
本题利用二力平衡和压强公式粗略测量大气压，考查学生对实验原理的理解与误差分析能力，是大气压强相关的基础实验题。
【难度系数】
0.6
10.应用场景分析:某农田灌溉需要将水从距离农田水平距离50米、垂直高度11米的河流抽到农田中,现有一台活塞式抽水机,其理论最大抽水高度为10米,出水量为每小时5立方米。分析该抽水机是否适合此农田灌溉场景,并说明原因。
答案
10.该活塞式抽水机不适合此农田灌溉场景。原因是活塞式抽水机是利用大气压工作的,在标准大气压下,其理论最大抽水高度为10米,而农田灌溉需要将水提升的垂直高度为11米,难以满足抽水高度要求。而且,在实际工作中,于存在各种阻力,实际抽水高度也会小于理论值,再者水平距离较长,增加管道阻力等,均会影响抽水效率。
解析
【分析】
解题思路：首先明确活塞式抽水机的工作原理，确定其理论最大抽水高度的限制因素，再对比农田灌溉所需的垂直提升高度，同时结合实际工作中的阻力影响，判断抽水机是否适用。
【解析】
活塞式抽水机利用大气压工作，在标准大气压下，大气压能支撑的水柱高度约为10米，这是该类抽水机的理论最大抽水高度。本题中农田灌溉需要将水提升的垂直高度为11米，超过了抽水机的理论最大抽水高度；实际工作中，管道阻力、水流阻力等会使实际抽水高度小于理论值，且水平距离较长会增加管道阻力，进一步降低抽水能力，因此该抽水机无法满足灌溉需求。
【答案】
该活塞式抽水机不适合此农田灌溉场景。原因是活塞式抽水机是利用大气压工作的，在标准大气压下，其理论最大抽水高度为10米，而农田灌溉需要将水提升的垂直高度为11米，难以满足抽水高度要求。而且，在实际工作中，由于存在各种阻力，实际抽水高度也会小于理论值，再者水平距离较长，增加管道阻力等，均会影响抽水效率。
【知识点】
大气压的应用、活塞式抽水机工作原理
【点评】
本题结合实际灌溉场景考查大气压的相关知识，需学生掌握活塞式抽水机的工作原理及大气压支撑水柱高度的特点，同时能联系实际分析影响抽水高度的因素，体现了物理知识在生活中的应用。
【难度系数】
0.5
解题思路：首先明确活塞式抽水机的工作原理，确定其理论最大抽水高度的限制因素，再对比农田灌溉所需的垂直提升高度，同时结合实际工作中的阻力影响，判断抽水机是否适用。
【解析】
活塞式抽水机利用大气压工作，在标准大气压下，大气压能支撑的水柱高度约为10米，这是该类抽水机的理论最大抽水高度。本题中农田灌溉需要将水提升的垂直高度为11米，超过了抽水机的理论最大抽水高度；实际工作中，管道阻力、水流阻力等会使实际抽水高度小于理论值，且水平距离较长会增加管道阻力，进一步降低抽水能力，因此该抽水机无法满足灌溉需求。
【答案】
该活塞式抽水机不适合此农田灌溉场景。原因是活塞式抽水机是利用大气压工作的，在标准大气压下，其理论最大抽水高度为10米，而农田灌溉需要将水提升的垂直高度为11米，难以满足抽水高度要求。而且，在实际工作中，由于存在各种阻力，实际抽水高度也会小于理论值，再者水平距离较长，增加管道阻力等，均会影响抽水效率。
【知识点】
大气压的应用、活塞式抽水机工作原理
【点评】
本题结合实际灌溉场景考查大气压的相关知识，需学生掌握活塞式抽水机的工作原理及大气压支撑水柱高度的特点，同时能联系实际分析影响抽水高度的因素，体现了物理知识在生活中的应用。
【难度系数】
0.5
11.(选做)小明为家里的宠物设计了一款自动供水装置,如图所示。饮料瓶的侧面偏下的地方开有较大的孔,用铁夹将饮料瓶固定,使其竖直悬于水槽中,孔口恰好被水浸没。
(1)解释此装置的工作原理。
(2)拧下瓶盖,装置会失去自动续水功能吗？
(1)解释此装置的工作原理。
(2)拧下瓶盖,装置会失去自动续水功能吗？
答案
解：
(1) 初始状态下孔口被水浸没，瓶内封闭空气的压强与瓶内水产生的压强之和等于外界大气压，瓶内的水不会流出。
当宠物饮水，水槽内的水位下降至孔口以下时，空气通过孔进入饮料瓶内，瓶内气压增大，瓶内的水从孔流出，补充到水槽中。
当水槽内的水位再次上升，重新浸没孔口后，外界空气无法进入瓶内，瓶内气压与瓶内剩余水的压强之和重新等于外界大气压，瓶内的水停止流出。
该过程循环进行，可自动维持水槽内的水位，实现自动供水。
(2) 拧下瓶盖后，瓶内水面上方与外界大气连通，饮料瓶和水槽构成连通器，连通器的液面最终会保持相平，瓶内的水会持续流入水槽，直到瓶内的水全部流出，装置会失去自动续水功能。
(1) 初始状态下孔口被水浸没，瓶内封闭空气的压强与瓶内水产生的压强之和等于外界大气压，瓶内的水不会流出。
当宠物饮水，水槽内的水位下降至孔口以下时，空气通过孔进入饮料瓶内，瓶内气压增大，瓶内的水从孔流出，补充到水槽中。
当水槽内的水位再次上升，重新浸没孔口后，外界空气无法进入瓶内，瓶内气压与瓶内剩余水的压强之和重新等于外界大气压，瓶内的水停止流出。
该过程循环进行，可自动维持水槽内的水位，实现自动供水。
(2) 拧下瓶盖后，瓶内水面上方与外界大气连通，饮料瓶和水槽构成连通器，连通器的液面最终会保持相平，瓶内的水会持续流入水槽，直到瓶内的水全部流出，装置会失去自动续水功能。
解析
【分析】
要解决这道题，需结合大气压强和连通器的原理分析装置的工作过程：
1. 对于第(1)问，先明确初始状态的受力平衡：孔口被水浸没时，瓶内封闭空气的压强与瓶内水的压强之和等于外界大气压，因此水不会流出；当水槽水位下降，孔口露出，空气进入瓶内，瓶内气压增大，打破平衡，水流出补充水槽；当水位再次淹没孔口，空气无法进入，重新达到平衡，水停止流出，循环实现自动供水。
2. 对于第(2)问，拧下瓶盖后，瓶内水面与外界大气连通，此时装置变成连通器，根据连通器原理，最终液面会相平，瓶内水会全部流出，失去自动续水功能。
【解析】
(1) 初始状态下，孔口被水浸没，瓶内封闭空气的压强与瓶内水产生的压强之和等于外界大气压，因此瓶内的水不会流出。当宠物饮水导致水槽内的水位下降至孔口以下时，空气通过孔进入饮料瓶内，瓶内气压增大，瓶内的水从孔流出，补充到水槽中。当水槽内的水位再次上升，重新浸没孔口后，外界空气无法进入瓶内，瓶内气压与瓶内剩余水的压强之和重新等于外界大气压，瓶内的水停止流出。该过程循环进行，可自动维持水槽内的水位，实现自动供水。
(2) 拧下瓶盖后，瓶内水面上方与外界大气连通，饮料瓶和水槽构成连通器，连通器的液面最终会保持相平，瓶内的水会持续流入水槽，直到瓶内的水全部流出，装置会失去自动续水功能。
【答案】
(1) 初始状态下孔口被水浸没，瓶内封闭空气的压强与瓶内水产生的压强之和等于外界大气压，瓶内的水不会流出。当宠物饮水，水槽内的水位下降至孔口以下时，空气通过孔进入饮料瓶内，瓶内气压增大，瓶内的水从孔流出，补充到水槽中。当水槽内的水位再次上升，重新浸没孔口后，外界空气无法进入瓶内，瓶内气压与瓶内剩余水的压强之和重新等于外界大气压，瓶内的水停止流出。该过程循环进行，可自动维持水槽内的水位，实现自动供水。
(2) 拧下瓶盖后，瓶内水面上方与外界大气连通，饮料瓶和水槽构成连通器，连通器的液面最终会保持相平，瓶内的水会持续流入水槽，直到瓶内的水全部流出，装置会失去自动续水功能。
【知识点】
大气压强、连通器原理
【点评】
本题结合生活中的自动供水装置，考查大气压强和连通器原理的应用，将物理知识与实际生活结合，帮助学生理解物理原理的实际应用，难度适中。
【难度系数】
0.5
要解决这道题，需结合大气压强和连通器的原理分析装置的工作过程：
1. 对于第(1)问，先明确初始状态的受力平衡：孔口被水浸没时，瓶内封闭空气的压强与瓶内水的压强之和等于外界大气压，因此水不会流出；当水槽水位下降，孔口露出，空气进入瓶内，瓶内气压增大，打破平衡，水流出补充水槽；当水位再次淹没孔口，空气无法进入，重新达到平衡，水停止流出，循环实现自动供水。
2. 对于第(2)问，拧下瓶盖后，瓶内水面与外界大气连通，此时装置变成连通器，根据连通器原理，最终液面会相平，瓶内水会全部流出，失去自动续水功能。
【解析】
(1) 初始状态下，孔口被水浸没，瓶内封闭空气的压强与瓶内水产生的压强之和等于外界大气压，因此瓶内的水不会流出。当宠物饮水导致水槽内的水位下降至孔口以下时，空气通过孔进入饮料瓶内，瓶内气压增大，瓶内的水从孔流出，补充到水槽中。当水槽内的水位再次上升，重新浸没孔口后，外界空气无法进入瓶内，瓶内气压与瓶内剩余水的压强之和重新等于外界大气压，瓶内的水停止流出。该过程循环进行，可自动维持水槽内的水位，实现自动供水。
(2) 拧下瓶盖后，瓶内水面上方与外界大气连通，饮料瓶和水槽构成连通器，连通器的液面最终会保持相平，瓶内的水会持续流入水槽，直到瓶内的水全部流出，装置会失去自动续水功能。
【答案】
(1) 初始状态下孔口被水浸没，瓶内封闭空气的压强与瓶内水产生的压强之和等于外界大气压，瓶内的水不会流出。当宠物饮水，水槽内的水位下降至孔口以下时，空气通过孔进入饮料瓶内，瓶内气压增大，瓶内的水从孔流出，补充到水槽中。当水槽内的水位再次上升，重新浸没孔口后，外界空气无法进入瓶内，瓶内气压与瓶内剩余水的压强之和重新等于外界大气压，瓶内的水停止流出。该过程循环进行，可自动维持水槽内的水位，实现自动供水。
(2) 拧下瓶盖后，瓶内水面上方与外界大气连通，饮料瓶和水槽构成连通器，连通器的液面最终会保持相平，瓶内的水会持续流入水槽，直到瓶内的水全部流出，装置会失去自动续水功能。
【知识点】
大气压强、连通器原理
【点评】
本题结合生活中的自动供水装置，考查大气压强和连通器原理的应用，将物理知识与实际生活结合，帮助学生理解物理原理的实际应用，难度适中。
【难度系数】
0.5
