题目
将内半径为r=1times10^-4 m的管子插入水中,求水在管中上升的高度______cm。(水完全润湿管壁,水的表面张力系数alpha=7times10^-2 N/m, g=10 m/s^2)
将内半径为$r=1\times10^{-4}$ m的管子插入水中,求水在管中上升的高度______cm。(水完全润湿管壁,水的表面张力系数$\alpha=7\times10^{-2}$ N/m, $g=10$ m/s$^2$)
题目解答
答案
根据毛细现象的原理,当液体完全润湿管壁时(即接触角 $\theta = 0^\circ$),液体在细管中上升的高度 $h$ 可以通过以下公式计算:
$$h = \frac{2\alpha \cos\theta}{\rho g r}$$
其中:
* $\alpha$ 是液体的表面张力系数。题目给出 $\alpha = 7 \times 10^{-2} \text{ N/m}$。
* $\theta$ 是液体与管壁的接触角。题目指出“水完全润湿管壁”,因此 $\theta = 0^\circ$,$\cos\theta = 1$。
* $\rho$ 是液体的密度。对于水,通常取 $\rho = 1.0 \times 10^3 \text{ kg/m}^3$。
* $g$ 是重力加速度。题目给出 $g = 10 \text{ m/s}^2$。
* $r$ 是管子的内半径。题目给出 $r = 1 \times 10^{-4} \text{ m}$。
将这些已知数值代入公式中进行计算:
$$h = \frac{2 \times (7 \times 10^{-2} \text{ N/m}) \times 1}{(1.0 \times 10^3 \text{ kg/m}^3) \times (10 \text{ m/s}^2) \times (1 \times 10^{-4} \text{ m})}$$
计算分子部分:
$$2 \times 7 \times 10^{-2} = 14 \times 10^{-2} = 0.14$$
计算分母部分:
$$1.0 \times 10^3 \times 10 \times 1 \times 10^{-4} = 10^4 \times 10^{-4} = 1$$
将分子和分母相除:
$$h = \frac{0.14}{1} = 0.14 \text{ m}$$
题目要求填写的高度单位是厘米(cm),因此需要进行单位换算:
$$0.14 \text{ m} = 0.14 \times 100 \text{ cm} = 14 \text{ cm}$$
水在管中上升的高度为 14 cm。