802 素養題 6-3壓力

小明在海邊挖沙，他發現使用一把面積較小的鏟子尖端可以更容易地插入濕潤的沙灘中，而使用面積較大的鏟面則很難插入。這現象主要說明了下列何種物理量對挖沙行為的影響？

• 力的大小
• 摩擦力的大小
• 施力面積的大小
• 鏟子材質的硬度

Answer explanation

正確答案：(C) 解釋： 題目描述了用相同力量但不同面積的鏟子挖沙的情況。當施力相同時，受力面積越小，產生的壓力越大 [3, p. 152]。鏟子尖端面積小，能產生足夠大的壓力以克服沙子的阻力，使其更容易插入沙中。選項 (A) 力的大小，若施力大小不變，則不能解釋為何面積不同結果不同。選項 (B) 摩擦力是阻礙運動的力 [1, p. 145]，雖然挖沙涉及摩擦，但題目更強調「更容易插入」與「面積」的關係，這直接指向壓力定義。選項 (D) 鏟子材質硬度與題目情境無關，因為是同一把鏟子。

消防隊員在滅火時，常會使用水槍將水柱射向火源。為了讓水柱能射得更遠、更有力地穿透火焰，他們通常會將水槍噴嘴設計成較小的孔洞。請問這種設計主要是利用了什麼原理？

• 連通管原理，增加水流量
• 浮力原理，減輕重量
• 力平衡原理，穩定後座力
• 壓力原理，增加出水壓力

Answer explanation

正確答案：(D) 解釋： 這個情境是關於「壓力」的應用。當水槍中的水被泵出時，若總推力（力）固定，將噴嘴的孔洞變小，實際上是減小了受力面積。根據壓力 P = F/A 的公式，在力F相同的情況下，減小受力面積A可以顯著增加出口處水的壓力P [3, p. 152]，使得水柱能以更高的速度和更強的穿透力射出。連通管原理與液體靜止時液面高度有關 [4, p. 154]，浮力原理與物體在液體中所受的向上力有關 [5, p. 160]，力平衡則是指合力為零的狀態 [1, p. 143]。這些都無法直接解釋水槍噴嘴的作用。

小華在游泳池中潛水，他感覺耳朵承受的壓迫感隨著潛入深度的增加而越來越明顯。同時，他觀察到從泳池底部冒出的小氣泡在上升過程中體積逐漸變大。關於這兩個現象，下列敘述何者正確？

• 壓迫感增加與水壓方向性無關，氣泡體積變大是因為水壓方向隨深度改變

• 壓迫感增加與深度成正比，氣泡體積變大是因為外界水壓減小

• 壓迫感增加與水密度有關，氣泡體積變大是因為內部氣體密度減小

• 壓迫感增加與液體總重有關，氣泡體積變大是因為氣泡內部壓力增加

Answer explanation

正確答案：(B) 解釋：

• 壓迫感增加： 來源指出，液體壓力與深度成正比，潛得越深，壓迫感越明顯 [3, p. 152]。在水中同一深度，水壓沒有特定的方向性，但與接觸面垂直 [3, p. 152]。因此，壓迫感增加主要是因為深度增加，水壓增大，與水壓的方向性無關。

• 氣泡體積變大： 來源明確指出，氣泡自水底深處上浮時，其體積會逐漸增大，這是因為「外界的水壓減小」 [4, p. 153]。深處時，氣泡受到高水壓被壓縮；上浮時，外界水壓減小，氣泡便會膨脹。

 某科學館展出一個模擬潛水艇的模型，該模型底部設有可控制開合的艙門。當模型潛水艇在水中某深度靜止時，若打開底部艙門，水並不會從艙門處流出，反而會保持靜止。關於此現象，下列何者為最合理的解釋？

• 艙門內外水密度相同，故無流動

• 艙門內外水壓大小相同，故無流動

• 潛水艇的浮力與重力平衡，水無額外作用

• 水壓的方向性使水被推回艙內

Answer explanation

正確答案：(B) 解釋： 來源說明「在同一深度時，不論薄膜轉向任何方向，凹陷的程度均保持不變，代表水壓大小相同，沒有特定的方向性」 [3, p. 152]。當潛水艇靜止在水中某深度時，艙門內外的水都處於該深度下的大氣壓力與液體壓力之和，內外壓力是平衡的。即使打開艙門，由於內外壓力相等，水便不會因為壓力差而流動。選項 (A) 水密度相同是前提但非直接原因。選項 (C) 浮力與重力平衡是針對潛水艇整體是否上浮下沉，與艙門水流動無直接關係。選項 (D) 來源明確指出水壓沒有特定方向性，但與接觸面垂直 [3, p. 152]，所以不是水壓方向使水被推回。

小文將一個底部裝有活動橡皮薄膜的水壓觀測器垂直放入水中。當觀測器停留在不同深度時，橡皮薄膜的凹陷程度不同，如圖(一)所示。若他在同一個深度，將觀測器水平旋轉不同的角度，發現橡皮薄膜的凹陷程度保持不變。這實驗結果最能說明下列何者？ [3, p. 152-153, 圖6-17, 圖6-18]

• 水壓會隨深度增加而增大

• 水壓沒有特定的方向性

• 水壓與深度成反比關係

• 水壓只由水的重量造成

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正確答案：(B) 解釋： 來源明確指出：「在同一深度時，不論薄膜轉向任何方向，凹陷的程度均保持不變，代表水壓大小相同，沒有特定的方向性」 [3, p. 152, 圖6-18]。因此，在同一個深度，旋轉觀測器時薄膜凹陷程度不變，直接證明了水壓沒有特定的方向性。選項 (A) 雖然是正確敘述，但這是由「不同深度凹陷程度不同」觀察到的，而非「同深度旋轉角度」觀察到的。選項 (C) 與事實不符，水壓與深度成正比 [3, p. 152]。選項 (D) 雖然水重是水壓的成因之一 [3, p. 152]，但這實驗結果更強調方向性。

已知空氣會對物體產生大氣壓力。小林在實驗室中進行一個實驗：他取一個未充氣的氣球和一罐密封的洋芋片，將它們分別放入真空箱中。當抽去真空箱中的空氣後，他觀察到氣球膨脹，洋芋片包裝也膨脹。下列何者是導致這些現象發生的主要原因？

• 氣球和洋芋片包裝內的氣體量增加

• 真空箱內溫度升高，使氣體膨脹

• 氣球和洋芋片包裝外的壓力減小

• 材質受熱膨脹

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正確答案：(C) 解釋： 來源提及洋芋片包裝在山上膨脹是因為大氣壓力較低 [1, p. 158]。當抽去真空箱中的空氣，箱內的大氣壓力顯著減小。對於氣球和密封的洋芋片包裝這類密閉且具彈性的容器，其內部氣體壓力原本與外界大氣壓力平衡。當外部壓力（大氣壓力）減小後，為了重新達到平衡，內部氣體會向外膨脹，使體積增大 [5, p. 159]。因此，導致氣球和洋芋片包裝膨脹的主要原因是因為外部壓力減小。選項 (A) 氣體量並沒有增加。選項 (B) 和 (D) 實驗中並未提到溫度變化，且這種劇烈的膨脹主要是壓力差異造成的。

一位潛水員在深海海底觀察到一個奇特現象：從海底岩縫中冒出一個小氣泡，它在緩慢上浮的過程中，體積逐漸變大，直到接近海面時已經變得非常巨大。如果忽略海水的溫度變化對氣泡的影響，請問造成氣泡體積變大的主要原因是下列何者？

• 氣泡內部的氣體密度不斷降低

• 氣泡上升時所受浮力逐漸減小

• 氣泡所受到的外界海水壓力逐漸減小

• 海水對氣泡的作用力方向由垂直變為水平

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正確答案：(C) 解釋： 來源明確指出：「觀察小氣泡自水底深處上浮，一開始氣泡較小；而在上浮過程中，氣泡的體積會逐漸增大。於深處時，氣泡受到來自四面八方的水壓，均與氣泡表面垂直，被壓縮的效果明顯；上浮時，外界的水壓減小，氣泡的體積便會增大」 [4, p. 153]。因此，氣泡體積變大的直接原因就是外界海水壓力的減小。選項 (A) 體積變大導致密度降低，是結果而非原因。選項 (B) 浮力 B = V(浸沒) × D(液) [7, p. 164]，由於氣泡體積V變大且液體密度D不變，因此浮力是增大而不是減小。選項 (D) 來源說明水壓「沒有特定的方向性」，但與接觸面保持垂直 [3, p. 152]，所以方向不會改變。

某工廠儲存的化學原料「無水氨」在高溫環境下意外汽化，導致容器內產生高壓，最終引發爆炸。根據來源提供的資訊判斷，下列何者為「無水氨」爆炸產生高壓的根本原因？

• 氨氣與水反應產生了新物質

• 液態氨氣變為氣態，體積膨脹但容器體積不變，導致壓力增加

• 容器材質在高溫下發生化學變化

• 無水氨與空氣中的氧氣發生氧化反應

  
  

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正確答案：(B) 解釋： 來源中提到：「『無水氨』在高溫環境下突然汽化而產生高壓」 [19, p. 19]。來源中也提到密閉容器內的氣體，「在定溫及定量氣體的情況下，若體積縮小則內部壓力增加，體積增大則內部壓力減小」 [5, p. 159]。雖然此處描述的是溫度升高，但其核心物理原理是：當液態氨汽化成氣態時，其體積會急劇膨脹。如果在密閉容器中發生這種變化，且容器體積不變，那麼內部氣體對容器壁的撞擊頻率和力量會大幅增加，從而導致內部壓力急劇升高。選項 (A) 和 (D) 提及化學反應，雖然有提到「遇到強氧化劑可能爆炸」 [19, p. 19]，但這裡情境是「高溫下突然汽化而產生高壓」，主要強調物理變化導致的壓力升高。選項 (C) 容器材質變化不是直接原因。

小明將一個裝滿水的針筒，前端開口用手封住。當他將推桿緩慢向內推入時，會感到一股越來越大的阻力；當他放手後，推桿會自動回復到原位置。關於此現象，下列推論何者正確？

• 推桿向內推時，針筒內部氣體體積增大，壓力減小

• 放手後推桿回復，是因為針筒內壓力小於大氣壓力

• 人類的呼吸運動是利用相同的原理讓氣體進出肺部

•  針筒內氣體在定溫及定量情況下，壓力與體積成正比關係

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正確答案：(C) 解釋：

• 來源提及「封口針筒這類密閉容器內的氣體，在定溫及定量氣體的情況下，若體積縮小則內部壓力增加，體積增大則內部壓力減小」 [5, p. 159]。

• 推桿向內推時，針筒內部氣體體積縮小，導致內部壓力增加，因此會感到阻力 [5, p. 159]。選項 (A) 錯誤。

• 當推桿向內推到一定程度後放手，推桿會自動回復，是因為此時針筒內部壓力大於大氣壓力，將推桿推回 [5, p. 159]。選項 (B) 錯誤，推桿向外拉時才是內部壓力小於大氣壓力。

• 來源明確指出：「人類的呼吸運動也是利用相同的機制使氣體順利地進出肺部，達到交換氣體的效果」 [5, p. 159]。選項 (D) 錯誤，在定溫及定量情況下，壓力與體積成反比關係。

為了抵抗深水處的強大水壓，水壩底部通常會設計得較厚。這主要是基於水壓的哪一個特性？

• 水壓會隨著容器底部面積的增加而增加

• 水壓會隨著水深增加而增大

• 水壓在同一深度沒有特定的方向性

• 水壓的大小與液體的總體積成正比

  
  

Answer explanation

正確答案：(B) 解釋： 來源提到：「水壩或河堤會將底部設計得較厚，也是為了抵抗深水處的強大水壓，以免因水壓過大而導致潰壩」 [4, p. 154]。而水壓的另一個描述是「愈深的地方，上方液體對下方的液體或容器底部造成壓力也愈大...水壓大小與深度成正比關係」 [3, p. 152]。因此，水壩底部較厚是為了承受隨深度增加而增大的水壓。選項 (A) 水壓與深度有關，與容器底部面積無關。選項 (C) 水壓沒有特定方向性是其特性，但不是導致水壓在底部更大的原因。選項 (D) 水壓與液體的總體積無關，只與深度和液體密度有關。