物体压强思维导图

物体压强思维导图

• 定义

  • 概念核心：物体作用在单位面积上的压力大小。
  • 物理意义：衡量压力的作用效果。压力作用效果取决于压力大小和受力面积大小。
  • 压力 (Force)：垂直压在物体表面上的力。
    • 性质：压力是一种弹力。
    • 方向：总是垂直于受力面，并指向受力面内部。
    • 大小：
      • 对于放在水平支持面上的物体，如果只受重力和支持力，压力大小等于物体的重力 (F = G)。
      • 对于放在斜面上的物体，压力大小小于物体重力，且方向垂直于斜面。
      • 对于受其他外力作用的物体，压力大小需要具体分析力的平衡或运动情况。

• 公式

  • 基本关系：压强 (p) 等于压力 (F) 除以受力面积 (S)。
  • 公式形式： p = F / S
  • 符号说明：
    • p：压强，单位帕斯卡 (Pa)。
    • F：压力，单位牛顿 (N)。
    • S：受力面积，单位平方米 (m²)。
  • 应用范围：适用于固体、液体和气体产生的压强计算，但对液体和气体的压强有更具体的计算方法和特性。
  • 注意事项：受力面积 S 是指物体间相互接触的实际有效面积，而不是物体的总表面积。计算时必须使用国际单位制 (SI)。

• 单位

  • 国际单位制 (SI)：帕斯卡 (Pascal)，符号 Pa。
  • 定义：1 Pa = 1 N/m²。即 1 牛顿的力垂直作用在 1 平方米的面积上产生的压强。
  • 常用单位：
    • 千帕 (kPa)：1 kPa = 10³ Pa
    • 兆帕 (MPa)：1 MPa = 10⁶ Pa
    • 巴 (bar)：1 bar = 10⁵ Pa
    • 毫巴 (mbar)：1 mbar = 10² Pa
    • 标准大气压 (atm)：约等于 1.013 × 10⁵ Pa，或 101.3 kPa。
    • 毫米汞柱 (mmHg)：常用于描述大气压强，760 mmHg 约等于 1 标准大气压。
  • 单位换算示例：1 MPa = 1000 kPa；1 atm ≈ 760 mmHg。

• 影响因素

  • 压力 (F) 的大小
    • 当受力面积 S 不变时，压力 F 越大，压强 p 越大。
    • 示例：两指用力捏一块橡皮，用的力越大，橡皮形变得越明显，说明压强越大。
  • 受力面积 (S) 的大小
    • 当压力 F 不变时，受力面积 S 越小，压强 p 越大。
    • 当压力 F 不变时，受力面积 S 越大，压强 p 越小。
    • 示例：用钢针对木板施压，很容易留下印记；用图钉帽对木板施压，难以留下印记。说明接触面积小压强大，接触面积大压强小。
  • 总结： 压强大小与压力大小成正比，与受力面积大小成反比。这是压强公式 p = F/S 的直接体现。

• 改变压强的方法

  • 增大压强
    • 方法一：增大压力 (F)，同时保持受力面积 (S) 不变。
      • 应用：压路机通过增加自身重量增大对地面的压力；人在推车时用力推。
    • 方法二：减小受力面积 (S)，同时保持压力 (F) 不变。
      • 应用：刀、剪刀、斧头等工具的刃部磨得很薄；针、钉子、锥子等的尖端做得锐利。
    • 方法三：同时增大压力和减小受力面积。
      • 应用：冲床在极小的面积上施加巨大的压力进行冲压；用榔头钉钉子。
  • 减小压强
    • 方法一：减小压力 (F)，同时保持受力面积 (S) 不变。
      • 应用：减轻物体的重量。
    • 方法二：增大受力面积 (S)，同时保持压力 (F) 不变。
      • 应用：雪地靴、滑雪板的底面积很大；坦克的履带；房屋的地基做得比墙壁宽；书包带、扁担加宽。
    • 方法三：同时减小压力和增大受力面积。
      • 应用：某些特殊场合，如气垫船利用气垫增大受力面积，同时减轻船体直接接触地面的压力。

• 应用实例

  • 增大压强的应用
    • 各种切削、穿刺工具：刀、剪刀、手术刀、注射器针头、缝衣针、钉子、图钉、锥子。它们共同特点是工作部分受力面积很小。
    • 打桩机、冲床等设备，在较小面积上施加巨大压力。
    • 犁铧，在耕地时减小受力面积增大对土壤的压强。
  • 减小压强的应用
    • 承重结构的基础：房屋地基、桥墩基础都做得宽大，以减小对地面的压强。
    • 交通工具：坦克和拖拉机使用履带而非轮子，增加与地面的接触面积；雪橇、滑雪板。
    • 日常用品：书包带、扁担、背篓带做宽，减轻对肩膀的压强；垫板放在重物下，防止压坏地面。

• 相关概念联系

  • 固体压强
    • 特点：通常由重力或外力引起；压力作用点在受力面上；压强方向垂直于受力面。
    • 计算：直接套用 p = F/S 公式。
  • 液体压强
    • 特点：
      • 液体内部存在压强，且向各个方向都有。
      • 在同一深度，液体向各个方向的压强大小相等。
      • 液体内部压强随深度的增加而增大。
      • 液体内部压强还与液体的密度有关，密度越大，压强越大。
    • 公式：p = ρgh (只计算液体内部由于重力引起的压强，其中 ρ 为液体密度，g 为重力加速度，h 为深度)。
    • 液体对容器底和壁的压强：计算方法与固体类似，先根据深度计算压强，再计算压力，最后计算压强（通常与 p=ρgh 结果一致，对底部是深度 h，对侧壁取平均深度或积分）。连通器原理是液体压强的应用。
  • 大气压强
    • 特点：大气层对浸在其中的物体表面产生的压强。
      • 大气压向各个方向都有。
      • 随海拔高度升高而减小。
      • 随温度、湿度等气象因素变化。
    • 存在证明：托里拆利实验、马德堡半球实验。
    • 测量：气压计（水银气压计、空盒气压计）。
    • 应用：抽水机、吸管、吸盘。
    • 1 标准大气压的数值：约 1.013 × 10⁵ Pa，相当于 76 cm 高的水银柱产生的压强，或约 10.3 m 高的水柱产生的压强。

• 计算实例分析思路

  • 第一步：明确研究对象，确定是计算哪个物体对哪个表面的压强。
  • 第二步：分析找出压力 (F) 的大小。压力通常是垂直于受力面的力，对于放在水平面上的固体，压力等于重力；对于其他情况需要具体分析。
  • 第三步：分析找出受力面积 (S) 的大小。受力面积是物体间相互接触的实际面积。注意区分接触面积与物体的总面积。
  • 第四步：检查 F 和 S 的单位是否为牛顿 (N) 和平方米 (m²)，如不是，进行单位换算。
  • 第五步：将 F 和 S 的值代入压强公式 p = F/S 进行计算。
  • 第六步：写出计算结果，并注明压强的单位（Pa）。
  • 示例情境：一块质量为 10 kg 的正方体木块放在水平地面上，边长为 0.2 m。求木块对地面的压强。(g取10 N/kg)
    • 压力 F = G = mg = 10 kg × 10 N/kg = 100 N。
    • 受力面积 S = 边长 × 边长 = 0.2 m × 0.2 m = 0.04 m²。
    • 压强 p = F / S = 100 N / 0.04 m² = 2500 Pa。

• 总结

  • 压强是描述压力作用效果的物理量。
  • 大小由压力和受力面积共同决定，遵循 p = F/S。
  • 应用广泛，通过改变压力或受力面积来实现增大或减小压强的目的。
  • 是进一步学习液体压强和大气压强的基础。