幫水搬家的虹吸現象
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大家都喜歡欣賞美麗的魚,而水族箱需要定期換水才能常保美麗,那麼換水如何能達到省時又不費力呢?又突然想來一杯源自德國虹吸式咖啡壺沖泡的香醇咖啡、或是家庭污水排水管的排放、還有屋頂使用虹吸式排雨水系統…等,這種要需要幫水搬家的時候,虹吸現象就可派上用場了。
虹吸(siphon)是一種流體(液體、氣體)力學現象,運用壓力差和液體分子間內聚力的液體移動,可以不借助泵而抽吸液體。常用以探討虹吸現象的裝置如附圖所示,處於較高位置的液體充滿一根倒U形的管狀結構(稱爲虹吸管)之後,使另一端開口於更低的位置,由於虹吸管兩端液體的重量差異會造成兩端液體壓力不同,再考慮燒杯液麪承受的大氣壓力,在虹吸管兩端液體壓力差能夠推動液體越過最高點,向低端排放,如果虹吸管兩端容器內的液麪達到相等高度時,虹吸現象便會停止。
(A)高處杯體內的液體承受氣壓較大,所以能推動液體向低處杯體流動
(B)虹吸管兩端杯體液麪承受氣壓相等,但在低處杯體端高出液麪的液柱較高,使此端頂部的向上液壓較另一端小,造成液體向此端流動
(C)高處杯體內的液體承受氣壓較大,而低端虹吸管內液壓也較大,所以能使液體向低端流動
(D)低處杯體內的液體承受氣壓較大,但此端虹吸管內高出液麪的液柱較高,於是更大的液體壓力使液體向此端流動
2.請參考附圖並嘗試分析,當兩端燒杯內液麪的高度差異變化時,會對液體的流動速率造成何種影響?
(A)兩端燒杯內液麪高度差異越大,會使液體流速越快
(B)兩端燒杯內液麪高度差異越大,會使液體流速越慢
(C)兩端虹吸管口的高度差異才會影響液體流動速率,而燒杯兩端液麪的高度差異並不會影響液體流動速率
(D)只有在兩端燒杯內液麪高度相等時會停止流動,而在停止流動之前液體的流動速率不會受到兩端液麪高度差異影響
3.王學、王習兄弟兩人騎稱重機環島,途中哥哥王學一時疏忽騎到沒油了,而附近一眼望去都找不到加油站,弟弟王習靈機一動,想把自己油箱的油分一些給哥哥,於是向鄰近的人家借來一根塑膠軟管,依你的判斷,王習的想法是否可行?若可行,他最有可能利用何種科學原理達成?