利用自制教具探究液體壓強(qiáng)的影響因素

王玲玲 袁令民

(四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 四川 成都 610101)

1 傳統(tǒng)教具的不足

“液體壓強(qiáng)”選自物理教科版八年級下冊第九章第2節(jié)，因?yàn)閷W(xué)生通過對上一章“壓強(qiáng)”的學(xué)習(xí)已經(jīng)了解到壓強(qiáng)與壓力及受力面積有關(guān)，所以對本章當(dāng)中所要學(xué)習(xí)的液體壓強(qiáng)與液體重力無關(guān)而與深度和密度有關(guān)系這個(gè)知識點(diǎn)極易產(chǎn)生困擾，因此探究液體壓強(qiáng)的影響因素為本課的重難點(diǎn)．

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在實(shí)驗(yàn)探究過程中，首先讓學(xué)生通過隨著微小壓強(qiáng)計(jì)在同一液體中深度的增加，直觀地看到U形管高度差增大，從而證明液體壓強(qiáng)與深度有關(guān)，再讓微小壓強(qiáng)計(jì)的位置保持不變，將清水換成鹽水，學(xué)生也可以直觀看到同一深度處鹽水中的壓強(qiáng)要比清水中的大，所以得出液體壓強(qiáng)跟液體密度呈正相關(guān)的關(guān)系．但是物理實(shí)驗(yàn)一直強(qiáng)調(diào)的控制變量，在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中都沒有體現(xiàn)．微小壓強(qiáng)計(jì)在同一液體中深度增加的同時(shí)，橡皮膜上液體的重力也在增加，即橡皮膜所受液體壓力在增加，讓微小壓強(qiáng)計(jì)的位置在同一深度處保持不變，將清水換成同體積的鹽水，根據(jù)公式m=ρV可知液體密度改變的同時(shí)也改變了橡皮膜上液體的重力，所以兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均無法說明液體壓強(qiáng)與密度、深度及液體重力之間的關(guān)系．

2 自制液體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教具介紹

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有教具的不足，筆者設(shè)計(jì)制作了如圖1所示教具．該教具的工作原理是橡皮膜受力發(fā)生形變，再通過左邊的指針變化放大其形變，所以我們可以通過指針的變化來反映液體壓強(qiáng)的大小．

圖1 自制教具

3 制作過程

(1)使用厚度為1 cm的PVC板制成38 cm×20 cm的擋板，以及40 cm×15 cm的底座．

(2)使用有機(jī)玻璃板做成10 cm×6 cm×15 cm的玻璃箱，上端開孔直徑為3 cm，連接飲料瓶(飲料瓶選取瓶身規(guī)則，擠壓后易形變，撤力之后能比較容易恢復(fù)原狀的為主)．為使橡皮膜的形變明顯，下端左側(cè)開孔直徑4 cm，接上瓶口較大的廢棄飲料瓶的瓶口(筆者此處接的是脈動(dòng)瓶口)，裹上橡皮膜．右側(cè)開孔直徑為3 cm，接飲料瓶瓶口，作為漏水閥．

該儀器在玻璃箱上裹有橡皮膜，再將飲料瓶連接其上，而不是直接將橡皮膜裹在飲料瓶的瓶口，首先是因?yàn)椴Ａ涓霉潭ǎ浯卧黾右好娓叨龋箤?shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀，最后是為了避免讓學(xué)生認(rèn)為在擠壓瓶身的過程中，瓶身是由于受到向下的力發(fā)生向下微小位移，而使指針發(fā)生的變化．

(3)將PVC板切割成直徑為3 cm的小圓，為了減小摩擦，選用較光滑的廢棄筆芯將其固定在擋板上，并使圓心開孔直徑略大于筆管直徑，筆芯的長度稍大于小圓和擋板的總厚度，大約為2.5 cm，使小圓能靈活地繞筆管轉(zhuǎn)動(dòng)．右側(cè)向小圓圓心方向切割長達(dá)1.2 cm，嵌入質(zhì)量極輕的5 cm×5 cm的泡沫板，使之貼在裹有橡皮膜的瓶口下方，左側(cè)用膠水粘住尾部做成指針形狀的20 cm×1 cm的泡沫板．

(4) 以小圓中心處為圓心，在稍大于指針處標(biāo)出相應(yīng)度數(shù)，在飲料瓶身旁邊粘上刻度尺．

4 教學(xué)案例——教學(xué)中教具的應(yīng)用

(1)首先向飲料瓶中加水至橡皮膜距液面的高度為20 cm，如圖2所示，角度變化為15°(不同橡皮膜，形變程度不同)．

圖2 向飲料瓶中加水

(2)然后停止加水，擠壓瓶身，使液面高度達(dá)到26 cm，角度為24°，如圖3所示．

圖3 停止加水

以上實(shí)驗(yàn)過程，控制液體質(zhì)量、密度、體積均不發(fā)生變化，只改變了橡皮膜到液面的深度，學(xué)生通過觀察角度變化，可知液體壓強(qiáng)隨深度的增加而增加，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒有說明液體壓強(qiáng)與質(zhì)量沒有關(guān)系，還需加以實(shí)驗(yàn)說明．

(3)在撤去外力后使飲料瓶恢復(fù)原來的形狀，液面也恢復(fù)到原來的高度20 cm，角度變回到原來的15°，繼續(xù)加水，使液面高度達(dá)到之前的26 cm，讓學(xué)生觀察角度是否是之前的24°，如圖4所示．

圖4 繼續(xù)加水

結(jié)合之前的實(shí)驗(yàn)，控制深度和密度不變，增大了液體的質(zhì)量和體積之后，發(fā)現(xiàn)角度并沒有發(fā)生變化，從而說明了在同種液體中，只要深度不變，即使改變了質(zhì)量和體積，液體壓強(qiáng)均不變，即液體壓強(qiáng)跟質(zhì)量和體積無關(guān)只與深度有關(guān)．此外通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生能感性地了解到對于裝有液體密度相同，底面積相同但形狀不規(guī)則的容器，即使受力面積相同，液體質(zhì)量相同，容器底部受到的液體壓強(qiáng)也只與深度有關(guān)，不一定相等．

(4)再將清水換成鹽水，加鹽水至同一深度處22 cm，讓學(xué)生對比兩次角度的變化量．這個(gè)實(shí)驗(yàn)控制深度、體積不變，改變了密度和質(zhì)量，因?yàn)樵谥暗膶?shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)了液體壓強(qiáng)跟質(zhì)量沒有關(guān)系，所以可以引導(dǎo)學(xué)生忽略質(zhì)量這個(gè)變量，從而了解到液體壓強(qiáng)跟密度呈正相關(guān)這一特點(diǎn)．

該教具材料易取，制作簡單，形象直觀，效果明顯，邏輯清晰，缺點(diǎn)就是無法分組探究，只能通過演示教學(xué)．通過使用自制教具，除了讓學(xué)生更清楚實(shí)驗(yàn)的工作原理，還能拓展學(xué)生的思維，知道探究實(shí)驗(yàn)不是只有教科書中的這一種做法，通過對生活中不起眼的小物件加以改造也能用來做探究實(shí)驗(yàn)，從而感受到物理來源于生活并且就在我們的身邊，培養(yǎng)學(xué)生熱愛物理、熱愛科學(xué)的情感．

參 考 文 獻(xiàn)

1 吳祖仁.物理.北京:教育科學(xué)出版社,2012.41～42

2 朱撫民.液體內(nèi)部壓強(qiáng)與深度有關(guān)而與液體質(zhì)量無關(guān)演示器.物理通報(bào),2001(2):33