题目

爱物理的人都来啊,有个难以解释的物理实验.（要自己动手哦）
取一瓶矿泉,里面装上水（水可多可少,但是不满）.把瓶盖倒过来,倒贴在瓶口上,用力压紧,然后把瓶子倒过来.试着旋转瓶盖（在此过程要保证瓶盖紧贴瓶口,并且实验过程注意不要压凹瓶子）,直到瓶盖被吸在上面为止（实验不容易成功,多试几次）.
试问：既然水不满,里面就有空气,既然没有压凹瓶子,里面的气压就和外面的一样,对吗?要托起瓶盖的重力,加上水的重力,请问,是什么在施力?瓶盖为何不掉下来?
（已知空气极难溶于水）

提问时间：2021-03-04

答案

倒过来后直到盖子被吸住,估计总有一点水会流出来的.
在少量水流出来之前,瓶内气体的体积和装水结束时是相同的,气压也就是大气压.
但是有少量水流出来之后,瓶内气体的体积就膨胀了一些,气压就降低了.
对倒过来后的瓶盖做受力分析如下：
受到向下的力有：瓶盖自身重力,瓶盖上表面的压强乘以瓶口面积（这个压强是瓶内气压Pgas+水密度*g*瓶内水柱高度）.G+(Pgas+rho*g*h)*S
受到向上的力有：大气压Pato乘以瓶口面积.Pato*S.
瓶盖不掉时,两力平衡.
问题中,提问者认为瓶子没有压凹,代表气体体积没有变化,从而里面的气压和初始相同,即和外面的大气压相同.但是,没有考虑倒置后会有少量水流出、倒置内部气体体积产生相应的膨胀.
可以预测,瓶内的气体越少,实验越容易成功.因为气压的变化是按照体积变化率来的.气体体积越小,泄露水导致的体积变化所导致的体积变化率就越大.