【分析】
1. 估测大气压时,需通过测量大气对活塞的压力和活塞的受力面积,利用压强公式$p=\frac{F}{S}$计算,因此以活塞为研究对象分析受力平衡关系来推导大气压力。
2. 步骤②将活塞推至顶端并封口,目的是排尽注射器内空气,确保外界大气压完全作用在活塞上;若未排尽,内部空气的气压会抵消部分外界大气压,导致测量的大气压值偏小。
3. 注射器的横截面积可通过其容积与刻度部分长度的比值计算,即$S=\frac{V}{L}$。
4. 步骤①中注射器未封口,活塞恰好下滑时,摩擦力与小桶总重力平衡;步骤②中注射器封口后,活塞下滑时,大气压力、摩擦力与小桶(含新增水)的总重力平衡,据此可依次计算摩擦力和大气压强。
【解析】
(1) 实验通过测量大气对活塞的压力$F$和活塞的受力面积$S$,根据压强定义式$\boldsymbol{p=\frac{F}{S}}$计算大气压;实验中以活塞为研究对象,分析其受力平衡来确定大气压力的等效力。
(2) 重新将活塞推至顶端并用橡皮帽封住注射口,目的是排尽注射器内的空气,使注射器内部接近真空;若未完全排尽空气,内部空气会产生向外的压强,导致活塞下滑时所需的小桶拉力偏小,根据$p=\frac{F}{S}$,计算出的大气压值会偏小。
(3) 已知注射器容积$V=5\mathrm{mL}=5\mathrm{cm}^3$,刻度部分长度$L=8\mathrm{cm}$,根据$S=\frac{V}{L}$,可得活塞横截面积:
$\boldsymbol{S=\frac{5\mathrm{cm}^3}{8\mathrm{cm}}=0.625\mathrm{cm}^2}$
(4) ①步骤①中,注射器未封口,活塞恰好下滑时,摩擦力与小桶总重力平衡:
$f=G_1=m_1g$,代入$m_1=71.2\mathrm{g}=0.0712\mathrm{kg}$,$g=10\mathrm{N/kg}$,得:
$\boldsymbol{f=0.0712\mathrm{kg}×10\mathrm{N/kg}=0.712\mathrm{N}}$
②步骤②中,注射器封口后,活塞恰好下滑时,受力满足$F_{\mathrm{大气}} + f = G_2$:
$G_2=m_2g=0.6462\mathrm{kg}×10\mathrm{N/kg}=6.462\mathrm{N}$,则大气对活塞的压力:
$F_{\mathrm{大气}}=G_2 - f=6.462\mathrm{N}-0.712\mathrm{N}=5.75\mathrm{N}$
将$S=0.625\mathrm{cm}^2=0.625×10^{-4}\mathrm{m}^2$代入$p=\frac{F}{S}$,得大气压强:
$\boldsymbol{p=\frac{5.75\mathrm{N}}{0.625×10^{-4}\mathrm{m}^2}=9.2×10^4\mathrm{Pa}}$
【答案】
(1) $\boldsymbol{p=\frac{F}{S}}$;活塞
(2) 排尽注射器内的空气;小
(3) $\boldsymbol{0.625}$
(4) $\boldsymbol{0.712}$;$\boldsymbol{9.2×10^4}$
【知识点】
大气压的测量、压强公式应用、二力平衡
【点评】
本题考查大气压的估测实验,需结合二力平衡条件分析受力,利用压强公式完成计算,同时要明确实验步骤的原理和误差来源,加深对大气压测量实验的理解。
【难度系数】
0.7