关于大规模集成的可调连通塑料瓶液体存放系统的研究 | 正经玩_风闻

原创：中科院物理所

关于大规模集成的可调连通塑料瓶液体存放系统的研究

【摘要】

塑料瓶和吸管是大家日常生活中常见的材料，而塑料瓶也是常用的储水器械。因此本次正经玩主要基于塑料瓶和吸管制备出一个大规模的、集成化的、可调的、相互连通的大型储水设备，以扩展普通塑料瓶储水量小的问题。此外，我们还研究了该系统在不同参数和储水量下表现出的行为。

关键词：正经玩、连通器原理、大气压强

实验器材

塑料瓶4个，吸管，热熔胶，焊锡枪，所标杯

样品制备及测试

第一步：

用焊锡枪在塑料瓶变换烫出和吸管孔径匹配的小圆孔（或者也可以使用小刀或者其他打孔设备）

第二步：

将吸管剪成四个小段。

第三步：

用热熔胶将吸管固定在刚打好孔的塑料瓶上，注意要密封不要漏水。

粘好的塑料瓶如图所示

第四步：

为了方便观察，在每个塑料瓶中加入一滴色素。

第五步：

拧开1号瓶的瓶盖，向其中倒水，大家可以猜猜会发生什么现象？

可以发现，水顺着吸管从1号瓶子流到了2号瓶子中。

第六步:

继续快速向1号瓶中倒水

可以发现水在从1号瓶流到2号瓶的同时，4号瓶中的空气也被排到了1号瓶中，产生了气泡。

第七步:

待液面稳定后，继续向1号瓶中倒水

可以发现此时倒入的水并不会再向2号瓶中流动。

第八步:

旋紧1号瓶的瓶盖，然后打开2号瓶的瓶盖

可以发现没有任何变化。

第九步:

接着打开1号瓶的瓶盖

可以发现1号瓶中的液体开始向2号瓶中流动，最后两个瓶中的液面齐平。

第十步:

此时，继续向1号瓶中注水，可以发现1号瓶中的水开始向4号瓶中流动。

等4号瓶中液面到达吸管的高度后，4号瓶中的液体也开始向3号瓶中流动

。

第十一步:

拧开4号瓶的瓶盖

1号和2号瓶中的液体开始向3号和4号瓶中流动。

第十二步:

继续向1号瓶中倒水

可以发现只有1、2、4号瓶中的液面上升，并保持相同；而3号瓶中的液面保持不变。

第十三步:

拧开3号瓶的瓶盖

可以发现3号瓶中的液面开始升高，最后四个瓶中的液面都变成了相同高度。

原理解说

别看这次实验步骤非常复杂，但是原理非常简单，就是初中学到的连通器。先带大家简单复习一下，连通器是一种上端开口、底部相通的容器。当连通器中有液体时，液面会自动保持齐平。对连通器底部中心液面做受力分析，其平衡时满足两侧压强相等：

其中为大气压，和分别是左右两侧液面高度。因此当液体处于平衡态时，左右两侧液面高度一致。

连通器示意图 | 图片来源：百度图片

了解了连通器原理之后，我们再了解一点：大气压强相当于100cm水柱所产生的压强，所以实验中通过加水增加的压强是远小于大气压的，没有开盖中的空气柱的长短变化也可以忽略不计。掌握了这两点之后，我们就可以很简单地对实验情况进行分析了。

为了说明方便，我们把较低的红色吸管对应的高度记为低位，绿色吸管对应的高度记为高位；数字1234分别对应瓶1、瓶2、瓶3、瓶4。

向1中加水，2可以通过吸管，经由3、4与大气连通，因此1和2短暂组成了一个连通器，1中的水通过红色吸管流入2。连通器效应维持到2中液面上升到高位，此时水将气路堵死，连通器效应消失，2中液面不再升高。1、2同时开盖，两端都与大气连接，再次形成连通器，液面恢复齐平。

这时如果向1中加水，可以看到2中液面上升的同时，4中也开始流入液体。这是因为平衡时1、2高处的压强相等，这使得加水带来的两侧压力差能够推动3、4中的气体从2中排出，实验时也确实能够在2中看到气泡的产生。

4中液面升到低位之后，只要保持1、2中的液面高度差，气体仍能排出，因此3、4此时组成了连通器，4中液体开始向3中流入。二者液面高度为什么不一样呢？这是因为1、2的液面高度相同了，没有压强差，气体不再能够排出，液面也就不再变化。

之后随着3、4的瓶盖打开，二者的液面也就先后与1、2中的液面齐平。

【展望】

本文中只展示了四瓶装置的最基本的液面变化，作为“可调”的装置，可以从多个方面对装置进行调整，从而展现更丰富、更多变的实验现象。最简单的调整就是改变瓶子数量；吸管的位置也可以调整，本文中的吸管只有一高一低两个位置，感兴趣可以四根吸管四个高度，现象会更加丰富；另外本文中四瓶循环连接，呈正方形排布，如果首尾两瓶没有连接，或者14、23交叉连接，实验现象也会有所不同。

此外本文中只使用到了水一种液体，通过一端注水，一端注入油（与水互不相溶的液体）的方式，液面变化会更加丰富。

总之，本实验装置具有极大的自由度和可调性，可玩性极高，可用于流通器原理讲解，以及水库大坝行船过程分析，能够有效加深实验者对流体压强的理解，十分适合作为物理压轴大题的原型出现。

参考资料：

[1].上下落差百米的三峡大坝，行船咋办？一个小实验整明白_哔哩哔哩_bilibili