题目
在等角速度旋转的直立容器中,液体相对平衡时的压强分布规律为()A、 =(p)_(0)+pgh+dfrac (1)(2)(omega )^2(r)^2; B、 =(p)_(0)+dfrac (1)(2)(omega )^2(r)^2 ,-|||-C、 =(P)_(0)+rho gh; D、 =(P)_(0)-rho gh+dfrac (1)(2)(omega )^2(r)^2-|||-其中P0为液面压强;h为计算点在坐标原点以下的深度;r为该点到旋转轴的距离。A B C D
在等角速度旋转的直立容器中,液体相对平衡时的压强分布规律为()
A
B
C
D
题目解答
答案
D. $P={P}_{0}-\rho gh+\dfrac {1}{2}{\omega }^{2}{r}^{2}$其中P0为液面压强;h为计算点在坐标原点以下的深度;r为该点到旋转轴的距离。
解析
本题考查等角速度旋转容器中液体相对平衡的压强分布规律。关键在于理解旋转液体中压强的组成,需综合考虑重力产生的静水压强和离心力产生的压强。
- 核心思路:在旋转参考系中,液体的有效重力是重力与离心力的矢量和。压强分布需满足静力平衡条件,即压强梯度平衡有效重力。
- 破题关键:
- 静水压强:由重力引起,公式为 $\rho gh$,其中 $h$ 是计算点到液面的深度(方向向下为正)。
- 离心压强:由离心力引起,公式为 $\frac{1}{2}\omega^2 r^2$,其中 $r$ 是计算点到旋转轴的距离。
- 符号处理:若液面压强为 $P_0$,则总压强为静水压强与离心压强的代数和,需注意 $h$ 的方向对符号的影响。
在等角速度旋转的液体中,压强分布需满足以下平衡条件:
- 垂直方向(重力方向):压强梯度平衡重力,即 $\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}h} = -\rho g$,积分得静水压强项 $-\rho gh$($h$ 为液面到计算点的深度,向下为正)。
- 水平方向(离心力方向):压强梯度平衡离心力,即 $\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}r} = -\rho \omega^2 r$,积分得离心压强项 $\frac{1}{2}\omega^2 r^2$。
- 总压强:液面压强 $P_0$ 与上述两项叠加,最终公式为:
$P = P_0 - \rho gh + \frac{1}{2}\omega^2 r^2.$