關于大規(guī)模集成的可調連通塑料瓶液體存放系統(tǒng)的研究

【摘要】

塑料瓶和吸管是大家日常生活中常見的材料，而塑料瓶也是常用的儲水器械。因此本次正經(jīng)玩主要基于塑料瓶和吸管制備出一個大規(guī)模的、集成化的、可調的、相互連通的大型儲水設備，以擴展普通塑料瓶儲水量小的問題。此外，我們還研究了該系統(tǒng)在不同參數(shù)和儲水量下表現(xiàn)出的行為。

關鍵詞：正經(jīng)玩、連通器原理、大氣壓強

實驗器材

塑料瓶4個，吸管，熱熔膠，焊錫槍，所標杯

樣品制備及測試

第一步：

用焊錫槍在塑料瓶變換燙出和吸管孔徑匹配的小圓孔（或者也可以使用小刀或者其他打孔設備）

第二步：

將吸管剪成四個小段。

第三步：

用熱熔膠將吸管固定在剛打好孔的塑料瓶上，注意要密封不要漏水。

粘好的塑料瓶如圖所示

第四步：

為了方便觀察，在每個塑料瓶中加入一滴色素。

第五步：

擰開1號瓶的瓶蓋，向其中倒水，大家可以猜猜會發(fā)生什么現(xiàn)象？

可以發(fā)現(xiàn)，水順著吸管從1號瓶子流到了2號瓶子中。

第六步:

繼續(xù)快速向1號瓶中倒水

可以發(fā)現(xiàn)水在從1號瓶流到2號瓶的同時，4號瓶中的空氣也被排到了1號瓶中，產(chǎn)生了氣泡。

第七步:

待液面穩(wěn)定后，繼續(xù)向1號瓶中倒水

可以發(fā)現(xiàn)此時倒入的水并不會再向2號瓶中流動。

第八步:

旋緊1號瓶的瓶蓋，然后打開2號瓶的瓶蓋

可以發(fā)現(xiàn)沒有任何變化。

第九步:

接著打開1號瓶的瓶蓋

可以發(fā)現(xiàn)1號瓶中的液體開始向2號瓶中流動，最后兩個瓶中的液面齊平。

第十步:

此時，繼續(xù)向1號瓶中注水，可以發(fā)現(xiàn)1號瓶中的水開始向4號瓶中流動。

等4號瓶中液面到達吸管的高度后，4號瓶中的液體也開始向3號瓶中流動

。

第十一步:

擰開4號瓶的瓶蓋

1號和2號瓶中的液體開始向3號和4號瓶中流動。

第十二步:

繼續(xù)向1號瓶中倒水

可以發(fā)現(xiàn)只有1、2、4號瓶中的液面上升，并保持相同；而3號瓶中的液面保持不變。

第十三步:

擰開3號瓶的瓶蓋

可以發(fā)現(xiàn)3號瓶中的液面開始升高，最后四個瓶中的液面都變成了相同高度。

原理解說

別看這次實驗步驟非常復雜，但是原理非常簡單，就是初中學到的連通器。先帶大家簡單復習一下，連通器是一種上端開口、底部相通的容器。當連通器中有液體時，液面會自動保持齊平。對連通器底部中心液面做受力分析，其平衡時滿足兩側壓強相等：

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其中為大氣壓，和分別是左右兩側液面高度。因此當液體處于平衡態(tài)時，左右兩側液面高度一致。

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連通器示意圖?|?圖片來源：百度圖片

了解了連通器原理之后，我們再了解一點：大氣壓強相當于100cm水柱所產(chǎn)生的壓強，所以實驗中通過加水增加的壓強是遠小于大氣壓的，沒有開蓋中的空氣柱的長短變化也可以忽略不計。掌握了這兩點之后，我們就可以很簡單地對實驗情況進行分析了。

為了說明方便，我們把較低的紅色吸管對應的高度記為低位，綠色吸管對應的高度記為高位；數(shù)字1234分別對應瓶1、瓶2、瓶3、瓶4。

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向1中加水，2可以通過吸管，經(jīng)由3、4與大氣連通，因此1和2短暫組成了一個連通器，1中的水通過紅色吸管流入2。連通器效應維持到2中液面上升到高位，此時水將氣路堵死，連通器效應消失，2中液面不再升高。1、2同時開蓋，兩端都與大氣連接，再次形成連通器，液面恢復齊平。

這時如果向1中加水，可以看到2中液面上升的同時，4中也開始流入液體。這是因為平衡時1、2高處的壓強相等，這使得加水帶來的兩側壓力差能夠推動3、4中的氣體從2中排出，實驗時也確實能夠在2中看到氣泡的產(chǎn)生。

4中液面升到低位之后，只要保持1、2中的液面高度差，氣體仍能排出，因此3、4此時組成了連通器，4中液體開始向3中流入。二者液面高度為什么不一樣呢？這是因為1、2的液面高度相同了，沒有壓強差，氣體不再能夠排出，液面也就不再變化。

之后隨著3、4的瓶蓋打開，二者的液面也就先后與1、2中的液面齊平。

【展望】

本文中只展示了四瓶裝置的最基本的液面變化，作為“可調”的裝置，可以從多個方面對裝置進行調整，從而展現(xiàn)更豐富、更多變的實驗現(xiàn)象。最簡單的調整就是改變瓶子數(shù)量；吸管的位置也可以調整，本文中的吸管只有一高一低兩個位置，感興趣可以四根吸管四個高度，現(xiàn)象會更加豐富；另外本文中四瓶循環(huán)連接，呈正方形排布，如果首尾兩瓶沒有連接，或者14、23交叉連接，實驗現(xiàn)象也會有所不同。

此外本文中只使用到了水一種液體，通過一端注水，一端注入油（與水互不相溶的液體）的方式，液面變化會更加豐富。

總之，本實驗裝置具有極大的自由度和可調性，可玩性極高，可用于流通器原理講解，以及水庫大壩行船過程分析，能夠有效加深實驗者對流體壓強的理解，十分適合作為物理壓軸大題的原型出現(xiàn)。

參考資料：

[1].上下落差百米的三峽大壩，行船咋辦？一個小實驗整明白_嗶哩嗶哩_bilibili