雙氣球連通實驗變化規律研究

王文濤

(江蘇省鎮江第一中學,江蘇 鎮江 212000)

1 問題的提出

圖1

在指導學生做趣味物理實驗中,經常做如下實驗:將兩個相同的氣球吹成不同半徑大小,用管子將兩者連接,打開中間的氣閥,觀察氣球大小的變化．一般預期的實驗結果是大的變得更大,小的變小．但學生實驗中偶爾也會出現相反的結果．開始認為是學生實驗操作錯誤造成如此的結果,但是消除實驗中的錯誤后,仍然有部分學生的實驗結果與預期不同．那么氣球大小的變化與哪些因素有關呢?

2 理想圓形氣球的附加壓強模型

氣球的大小變化取決于兩側氣球的壓強大小,而氣球內部的壓強由兩部分構成,一是外部的大氣壓強,二是氣球壁擴張后產生的附加壓強．兩氣球的外部大氣壓強相同,所以影響氣球內部壓強的是氣球壁的附加壓強．氣球的大小不同其附加壓強應該有所不同,所以對于同一氣球,其附加壓強應該與其半徑有關．

圖2 硫化橡膠的分子構型示意圖

平時買到的普通氣球是利用硫化后的橡膠制作的,其橡膠分子的長鏈通過硫原子鏈接在一起,形成三維網絡結構,如圖2所示．因此,硫化后的橡膠制品具有各方向相同的物理性質,在理論研究中可以視為各向同性的理想彈性體．

圖3

氣球在增大過程中,其半徑變化較大,氣球壁的拉伸較大．因此彈性材料在拉伸過程中其截面大小及長度均發生變化,彈力與形變并不遵守胡克定律．此時必須采用理想彈性體模型才可以描述其彈力與形變之間的關系．根據文獻[1]中的彈性體模型理論,一個理想化的矩形截面的彈性體有如下的規律.

(1)

(1)式中的fi是在i方向施加的外部作用力;Li是i方向的長度;k是玻爾茲曼常量;K是常數,與彈性體內部材料組成有關;T是熱力學溫度;Li0是材料原始長度,p是彈性體內部壓強(靜壓強),V是彈性體的體積．對于理想的彈性體,可以假設在形變中體積V不變．從(1)式可以得出彈性體的彈力與彈性體長度方向形變和內部靜壓強有關．

圖4 氣球上選取的研究面位置示意

如果氣球在恒定溫度T下緩慢增大,可認為氣球壁的溫度保持T不變．可以取沿氣球大圓的一個窄環面進行研究,如圖4所示．

由于氣球壁的厚度d相對于氣球的半徑r較小,其寬度較窄,可將環面展開視為理想化的矩形截面彈性體,如圖5所示．

圖5 展開后的氣球環面

其沿切向的氣球壁長度Li與氣球半徑r成正比,應用(1)式可得，在切向有

(2)

其中Li=cr,c為常數．

在半徑r方向上,由于氣球內外壁的壓力差可分解為沿切向的作用力,所以沿半徑方向不受拉伸或壓縮的外力,設氣球壁原始厚度為d0,氣球膨脹后壁厚度為d,同樣運用(1)式可得

(3)

由(2)式可得

(4)

由于氣球壁的總體積V0不變,設氣球原始半徑為r0,膨脹后半徑為r,總有

V0=4πr2d=4πr02d0.

可得

(5)

將(5)式代入(4)式可得

(6)

將(6)式代入切向方向的(2)式可得

(7)

考慮半個氣球的受力有

(8)

(8)式中p為氣球內部壓強,p0為大氣壓強,pf為氣球壁的附加壓強．

圖6

從圖6可以看出氣球的附加壓強pf與半徑r的關系并不是單調關系,附加壓強pf隨半徑r先增大再減小,當r趨于無窮大時,附加壓強趨于0．

3 實際圓形氣球附加壓強測定

以上從理論上得出了附加壓強pf隨半徑r變化關系,還需要通過實際實驗驗證上述理論關系．

實驗中需要測量氣球的附加壓強pf,可以利用氣壓計測定氣球內部壓強p和大氣壓強p0,則pf=p-p0．實驗中準確測量氣球半徑r有些困難,可以轉化為通過測量氣球體積VB來間接測量氣球半徑r,為此設計了圖7的實驗裝置進行研究．

圖7 研究氣球附加壓強實驗裝置圖

設大氣壓強為p0,V0為玻璃容器中氣體的體積,pf為氣球內外的壓強差,VB表示氣球的體積,Vw表示注入水的體積,由于氣球緩慢擴大,可以認為氣球內部氣體是等溫變化,根據理想氣體方程可得

(p0+pf)(V0+VB-Vw)=p0V0.

(9)

可得

(10)

由(10)式求出VB后,進一步可求得氣球半徑為

(11)

測量時先將氣球中的空氣排凈,然后扎在管口．玻璃瓶中先做好標記線,標記線上方的體積V0可用注水法測出．每次用注射器吸取一定體積的水注入瓶中,待氣球穩定后讀出氣壓計的讀數計算出pf．重復多次即可得出pf與注入水的體積Vw的關系,然后可求出pf與r的關系．

選擇不同的氣球A、B各做兩次,A氣球的實驗數據如圖8所示．從圖線趨勢可以發現氣球內附加壓強pf與半徑r的關系如下.

(1) 氣球附加壓強與r的圖像與理論預測圖像相一致.

(2) 氣球內附加壓強與r不是單調關系,先增大到峰值,然后逐漸減少.

圖8 A氣球的pf-r圖像

(3) 峰值點與預測基本一致.

(4) 新氣球第1次的圖像要高于第2次及以后的圖像.

對于(4)原因可能是第1次實驗時氣球橡膠材料第1次發生形變,內部橡膠分子長鏈之間的連接未遭到破壞,所以氣球膨脹到同樣半徑大小產生的附加壓強大．第2次實驗時,由于內部橡膠分子長鏈之間的連接已經被破壞了部分,所以導致同樣半徑產生的附加壓強減少,總體曲線降低．

同樣的實驗方法,對于另一個B氣球進行實驗測定,其實驗圖像如圖9所示．

圖9 B氣球的pf-r圖像

與A氣球的圖像相比,可以發現圖像也有另外的特點.

(1) 半徑較小時與理論圖像相符合.

(2) 當半徑增大超過一定值后,出現壓強隨半徑再次上升的現象.

如果將氣球壁視為理想彈性體,則根據(8)式pf將隨著半徑r一直減小,當球半徑無窮大時,附

加壓強為0,但是實際氣球肯定不能無限擴大．從B氣球的圖像可以看出當氣球半徑過大,氣球壁形變巨大，其內部結構也隨之發生變化,氣球壁已不可以視為理想的彈性體,原來的理想化模型不能適用．此時隨著氣體的不斷壓入,氣球形變開始變慢,隨之壓強迅速增大．如果繼續壓入空氣,其壓強超過氣球所能承受的彈力時,氣球便發生破裂．

4 兩氣球連通大小變化規律總結

由上述理論和實驗結果,可以分析兩個相同的氣球充氣成不同半徑,再連通后大小變化情況．一般情況下,不會將氣球充氣至極限．在氣球不太大的時候可以認為氣球的附加壓強符合理論模型．根據其pf與r的關系可以將氣球變化的情況分成3種類型討論．

如圖10所示,可能出現的3種情況結果如下.

圖10 氣球變化規律分段

(1) 若大小氣球的半徑都在a區,則大球變小,小球變大.

(2) 若大小氣球的半徑都在b區,則大球變大,小球變小.

(3) 若兩個氣球的半徑一個在a區,一個在b區,則情況不定,取決于氣球內部壓強大小．

因此,在指導學生做趣味實驗時,應該保證球的半徑不超過b區,即球的大小適中,這樣才能實現預想的實驗結果．

參考文獻：

1 M H. James， E Guth.Simple Presentation of Network Theory of Rubber, with a Discussion of Other Theories[J].Journal or Polymer Science 1949,(IV): 153-182.

2 楊曉翔.非線性橡膠材料的有限單元法[M].北京:石油工業出版社,1999:70-82.

3 I Müller,P Strehlow.Rubber and rubber balloons[M].New York: Springer. 2004:1-31.