漫話《帕斯卡原理》的實驗設計

帕斯卡原理——密閉的液體或氣體(注：以下簡稱“流體”)對壓強的傳遞規律，是液體壓強知識的重要組成部分，在科技、生產和生活中的應用廣泛。為此我們設計了下列實驗：

1 引入課題實驗

師：著名的曲藝家馬季和趙炎曾表演過一段“吹牛皮”的相聲，他們倆是“上嘴唇挨著天，下嘴唇觸著地”“不要臉”地吹。現在咱們一塊做兩個能夠闡明科學道理的“真吹”實驗(注：以下實驗要注意口腔衛生)。

(1)用漏斗吹乒乓球

圖1所示的，是我們為學生探究《流體壓強與流速關系》用的自制鐵皮漏斗(注：多次試驗證明，吹管直徑不得小于3．2mm；在展平的鐵皮上畫半徑為3．5cm圓，剪掉約1／4圓面積后圍成錐體焊縫，這樣制作的鐵皮漏斗實驗效果最好。（編者注：也可用玻璃漏斗）除常規實驗、即“向上吹或向下吹球”球均在漏斗里旋轉外，若用漏斗口在距球上方1．5cm~2．0cm高用力向下吹氣，球能向上跳進漏斗里旋轉，以此說明“飛機的升力是怎樣產生的”效果甚佳)。本節安排此實驗是想讓學生腦子里產生一個懸念：人的“吹力”是不大的(要告訴學生該實驗能夠闡明的道理，下兩節就會學到)。

(2)向內胎里吹一口氣能把人舉高

教師展示一個手扶拖拉機尾輪用的內胎。平放在一個桌子上(注：若用膠制游泳圈，其容積較大，吹一口氣顯示的現象不明顯；可以用2個膠制暖水袋、打孔的，8號膠塞、8mm粗短玻璃管、玻璃三通管和粗乳膠管把它倆“并聯”起來亦可)，上面蓋嚴一塊木板(注：木板的適當位置要鉆孔，露出氣門嘴子)。師：請一位身體最重的同學上來站在木塊上，我一口氣就能把他吹高3cm以上，信嗎?(注：實測表明，體力好的男老師深吸一口氣，能把質量為50kg~80kg人吹高3cm~5cm；一般女教師也能把40kg～50kg的學生吹高2cm~4cm；圖2就顯示該實驗結果)。

2 探究原理實驗

我們用廢玻璃罐頭瓶制作了“帕斯卡瓶”的瓶蓋(注：瓶蓋鉆9mm粗孔，內部焊牢高10mm、內徑為9mm鐵皮管，用粗乳膠管密封3根8mm粗玻璃管（圖3），并告訴學生，它們都是U形管壓強計的一部分：左管顯示向右方向的壓強；中管顯示向上方向的壓強；右管顯示向下方向的壓強。其開口浸沒的深度均相同)；組裝好的實驗儀器如圖4(注：我們剪短了一次性輸液管；其中連接帕斯卡瓶、顯示外加壓強大小的壓強計和施加外加壓強的注射器用的小三通管，可以從一次性輸液管的“滴管”上端割制（圖5）；或采用圖中右前方所示的連接方式。學生開始探究活動，用注射器的推管活塞，對密閉的流體施加一個壓強。結果：

(1)三根管內的液柱均上升，說明密閉的流體能夠傳遞壓強；

(2)三根管的開口方向和浸沒深度均不相同，說明密閉的流體能夠向各個方向傳遞壓強；

(3)三根管內的液柱高均相等，說明密閉的流體向各個方向傳遞的壓強均相等；

(4)三根管內的液柱高跟壓強計顯示的壓強值相等，說明密閉的流體向各個方向傳遞的壓強等于外加壓強。

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至此學生自然地會總結出帕斯卡原理內容。

注：每年安排此學生實驗，總會有個別學生把注射器的推管向外一拉，顯示出“負壓強”的傳遞規律，有的學生還說“帕斯卡漏了一半，密閉的流體也能把減小的壓強大小不變地向各個方向傳遞”。我們趁機指出：原理前面的“加”字，是“施加”的意思，施加給密閉流體上的壓強，不論大小或正負，均能被密閉流體大小不變地向各個方向傳遞。

3 補充相關實驗

(1)將圖4的瓶蓋松動一下(注：使其漏氣)，不再產生上述(1)~(4)所示的實驗現象，說明“帕斯卡原理的條件是密閉”。

(2)剪一段廢自行車內胎，保留氣門嘴子拔掉氣門芯，兩端膠死不漏氣，把鐵架臺底板壓在內胎上，斷續快速地向內胎里吹氣，鐵架臺上下跳動，甚至傾倒。

(3)把鐵架臺桿端套上一段管端有刀刃的鐵管，將鐵架臺倒置，讓有刀刃的鐵管端跟內胎垂直(注：否則內胎將會滾動)，不論是誰用力向內胎里吹氣，鐵架臺均將紋絲不動。說明“帕斯卡原理的實質是大小不變地傳遞壓強、而不是壓(吹)力”（圖6）。

(4)把膠輪車用的內胎平放在地面上，上面蓋嚴一大塊箱子板，4名學生站在板子上，讓其中一位學生連續吹氣，不久他們會離開地面，進而引出《液壓機》的授課內容。

(欄目編輯王柏廬)