焦作十一中学生居家学习发现顺手带门有诡异

图1 实地测量

1引言

2020年3月27日中午，焦作十一中高一四班学生孙立坤给微主发来微信，称他在家里发现了一个十分诡异的现象。

清晨，当他像往常一样离开卧室随手带门的时候，发现房间的门好像被一只无形的手拉住了，竟然没有锁住。他下意识地又重复了几次，次次都是如此，十分诡异。

视频介绍

2 对照实验

仔细观察发现，昨夜与往常相比，由于夜里降温，他关闭了窗户。是不是窗户被关闭的原因呢？

他连忙做了对照实验，果然如此。

当窗户打开的时候，如果利用平常的力度和速度，可以非常容易地把房门带上锁；当窗户关闭的时候，如果利用平常的力度和速度，很难把房门带上锁。

图2 窗户打开

图3 门被带上锁

图4 窗户关闭

图5 门锁不上

3 理论分析

面对这样一个非常好的探究性课题，微主是不会轻易放过的。在微主的指导下，这位学生利用网络自学了高中物理选修3-3热学部分的相关内容，又根据需要对房间和方面的相关尺寸进行测定，分析了“关闭窗户带不上门”的科学原理，并给出了关窗带门所受的阻力的具体值。

原来，当关闭窗户，带上门时，在门闭合的过程中，房间内部的空气体积增大，内部压强减小，导致门内受到的气体压力小于门外受到的气体压力，门受到的合外力指向室内，从而阻碍了门的运动。

由波义尔-马略特定律可知，在温度不变的条件下，对于一定质量的气体而言，压强和体积的乘积为一定值，即

1式

由1式可得，房间内部气体压强的减小量为

2式

由于房间的体积远远大于关门引起的体积变化，2式可简化为

3式

由压强公式可得，房门受到的指向房间内侧的压力为

4式

4 数值计算

实际测量发现，房间的面积为11.34平方米，房间的高度为2.7米，门的高度1.9米，门的宽度0.8米，门的厚度0.045米。

由测量数据可得，房间内部的空气体积V0为30.618立方米，门的面积S为1.52平方米。那么，关门引起的房间气体体积的增加量怎么计算呢？

仔细观察关门的过程可以发现，在图6至图7阶段，房间内外的空气是处于联通状态的；在图7至图8阶段，房间内外的空气是处于隔离状态的；在图7至图8阶段，房间内的空气被迫膨胀，压强减小。

图6

图7

图8

比较图7和图8可以发现，在关门过程中，房间内部空气体积的增量恰好等于门的体积的一半。

由测量数据可得，关门引起的室内空气体积变化ΔV为0.0342立方米。

已知大气压强P0为101000帕斯卡，将上述测量和计算数据代入4式，可得关窗带门时，门受到的最大阻力为171.48牛。

图9 学生分析过程

正是在这个阻力的作用下，按照正常带门的力度和速度，如果窗户关闭，房门很难被带上锁。

5 心得

对于一个善于观察，勤于思考、主动探究的学生，他不会受限于已经学过的知识，而是根据探究问题的需要，主动检索和获取他需要的知识，这才是真正意义上的自主学习。

教师点评

这个学生能在琐碎的日常生活中发现如此细微的变化，说明他善于观察，勤于思考，有着强烈的问题意识和探究欲望，这非常难得。

——物理教师 张怀华

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