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物理实验揭示高烟囱现象

时间:2023-11-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:高烟柱之谜Tall Chimney为什么我们看到的烟囱总是高高的?图1烟柱实验装置两个相同体积的大烧杯、不同长度的玻璃漏斗各一个、两个铁架台、两个石棉网、两个酒精灯、少许高锰酸钾。图2玻璃漏斗装置示意图现象观察当两个酒精灯同时加热之后,我们可以观察到长漏斗烧杯中的水流动得较快。烟囱高除了可以使尚未燃烧充分的物质在烟囱中继续燃烧,还可以在烟囱中进行部分物质回收等。

物理实验揭示高烟囱现象

高烟柱之谜

Tall Chimney

为什么我们看到的烟囱总是高高的?没有风时,从烟囱里冒出来的烟柱也是高高直直的,如图1所示,你知道这是为什么吗?

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图1 烟柱

实验装置

两个相同体积的大烧杯、不同长度的玻璃漏斗各一个、两个铁架台、两个石棉网、两个酒精灯、少许高锰酸钾。按图2装置搭好,将高锰酸钾放入烧杯底部的中间。固定好玻璃漏斗,使它与烧杯底部悬空,以便水流动。将两个烧杯缓慢加满水后,放在两个铁架台石棉网上同时加热。

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图2 玻璃漏斗装置示意图

现象观察

当两个酒精灯同时加热之后,我们可以观察到长漏斗烧杯中的水流动得较快。而且紫红色水流离开漏斗后,长漏斗中的紫红水柱比短漏斗中的要高。

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图3 玻璃漏斗装置实物图(左边为长漏斗,右边为短漏斗)

现象解密

漏斗中的水受到向上的浮力(f=ρ1gV)与向下的重力(G=ρ2gV)作用,其中ρ1为烧杯中漏斗之外水的密度,ρ2为漏斗中水的密度,加热前ρ12,F=f-G= 0。在加热过程中,漏斗内的水温比漏斗外的水温高,于是ρ1>ρ2,浮力大于重力,漏斗中的水开始向上运动,烧杯中的水形成对流。同样漏斗中的水还存在着上下温差,所以在上升过程中受到的合力F不断变化。根据动量定律Ft=Δ(mv),水向上加速。长漏斗两端的高度差Δh大,其两端的压力差也就大,其中水的流速也就更快。当热水离开漏斗时,长漏斗中的水流具有更大的速度,所以我们可以观察到在长漏斗的烧杯中,离开漏斗之后的紫红色水柱比较高。(www.xing528.com)

应用拓展

根据上述实验,从物理原理来分析如何设计高效、节能而又环保的烟囱?

节能高效。利用烟囱中热气体自身的热能使气体排放到高空。温度越高,烟囱内气体越膨胀,相同情况下单位体积受到的重力就越小,浮力与重力的差值(合力)就越大;另一方面,烟囱越高,烟囱内的热气体在合力作用下运动的时间也越长,浮力产生的压强就越大,排烟能力也越强。若没有风,当离开烟囱之后,热气体往上运动的过程中温度不断降低,速度也逐渐变慢,当与大气温度相近时,烟就水平扩散了。

在大气中的任何物体,包括空气本身都会受到来自于空气的浮力。但空气为什么还能保持平衡(不考虑吹风现象)而不上浮呢?因为空气除了受到向上的浮力,还受到自身重力的作用,通常情况下浮力与重力相等,所以就保持平衡。“烟囱越高,排烟能力越好”,不是因为越高空气压强越小,如果真的是这个原因,别说烟囱里的空气会自己往上流,就是地面的空气也全都往上跑了。

环境保护。烟囱高除了可以使尚未燃烧充分的物质在烟囱中继续燃烧,还可以在烟囱中进行部分物质回收等。

当然烟囱也不是越高越好,需要综合考虑建筑费用、环境保护和使用效能等因素。

思考题

1.解释生活中一些炊具所包含的物理原理,如图4和图5中的烧水壶、煤饼炉和煤油灯

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图4 烧水壶、煤饼炉

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图5 煤油灯

2.如何通过吹牙签来戳破气球

3.你如何理解出自唐代诗人王维《使至塞上》的名句:“大漠孤烟直,长河落日圆。”

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