對(duì)初中物理課本中液體壓強(qiáng)理論的商榷

任少鐸

(廈門(mén)市海滄區(qū)東孚中學(xué) 福建 廈門(mén) 361000)

初中物理課本對(duì)于液體壓強(qiáng)一節(jié)的講解，均存在一定的缺陷和不足.以至于課本在液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)兩個(gè)部分出現(xiàn)了邏輯問(wèn)題及自相矛盾，導(dǎo)致學(xué)生先學(xué)的液體壓強(qiáng)知識(shí)會(huì)形成錯(cuò)誤的前概念，對(duì)后面感受及理解大氣壓強(qiáng)形成干擾.同時(shí)，由于教材的缺陷和不足，對(duì)廣大師生形成了錯(cuò)誤引導(dǎo)，甚至各地中考題也出現(xiàn)了嚴(yán)重的理論錯(cuò)誤！筆者通過(guò)查閱相關(guān)書(shū)籍和資料，明確了一般情況下液體壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)的關(guān)系，理順了液體壓強(qiáng)與大氣壓的知識(shí)結(jié)構(gòu)，具體分析了課本中的缺陷和不足，并給出了適當(dāng)?shù)男薷慕ㄗh.

1 各版本課本中的錯(cuò)誤分析

1.1 理論基礎(chǔ)

法國(guó)物理學(xué)家帕斯卡于1653年提出了著名的帕斯卡定律，即“在不可壓縮的靜止流體中，任意一點(diǎn)受到外力而產(chǎn)生壓力增值后，那么此壓力增值將瞬時(shí)傳至靜止流體的各點(diǎn)”[1].滬科版對(duì)于帕斯卡定律的描述為：加在密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地被液體向各個(gè)方向傳遞[2].

我們生活在地球的大氣層內(nèi)，一般情況下，與空氣接觸的液體表面承受著巨大的大氣壓，而根據(jù)帕斯卡定律，液體會(huì)將這個(gè)壓強(qiáng)向各個(gè)方向傳遞.

因此，存在大氣壓的情況下，液體的壓強(qiáng)應(yīng)當(dāng)?shù)扔谝后w由于自身重力而產(chǎn)生的壓強(qiáng)(ρgh)和大氣壓強(qiáng)(p0)之和，即p=ρgh+p0.

1.2 課本中液體壓強(qiáng)理論的錯(cuò)誤分析(以人教版為例)

在液體的壓強(qiáng)一節(jié)(見(jiàn)課本第34,35頁(yè))，課本演示實(shí)驗(yàn)中，用U形管壓強(qiáng)計(jì)探測(cè)液體壓強(qiáng).而由于U形管的兩管口，一個(gè)通過(guò)橡皮管連接著金屬盒，另一個(gè)直接與空氣相通，如圖1所示.如此，U形管壓強(qiáng)計(jì)探測(cè)到的只是液體壓強(qiáng)與大氣壓的差值，即液體由于重力而產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)，而課本將其等效為液體壓強(qiáng).

圖1 U形管壓強(qiáng)計(jì)

在對(duì)液體壓強(qiáng)公式進(jìn)行推導(dǎo)時(shí)，課本采用如下方法：設(shè)想這里有一水平放置的“平面”S，平面以上液柱對(duì)平面的壓力等于液柱的重力，如圖2所示.

圖2 液柱模型

由此可推導(dǎo)出液面下深度為h處液體的壓強(qiáng)為p=ρgh[3].可見(jiàn)課本在推導(dǎo)液體壓強(qiáng)公式時(shí)，仍然把液體由于重力而產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)等效為液體壓強(qiáng).

課本中的例題，在計(jì)算蛟龍?zhí)枬撍魉幧疃群Ｋ畨簭?qiáng)時(shí)，未考慮大氣壓；課后習(xí)題最后一題計(jì)算三峽大壩底部的水壓時(shí)，也未考慮大氣壓.顯然，這兩種情況下，液體表面是有大氣壓的，雖然大氣壓遠(yuǎn)小于題中的水壓，但課本選擇直接“無(wú)視”，默認(rèn)液體壓強(qiáng)就是液體由于重力而產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)，顯然是存在問(wèn)題的.

2 課本知識(shí)缺陷導(dǎo)致的后果

2.1 內(nèi)容前后矛盾 加大學(xué)習(xí)難度不利于提升學(xué)生核心素養(yǎng)

人教版課本中，在液體壓強(qiáng)一節(jié)，完全忽略現(xiàn)實(shí)中液面承受的大氣壓，錯(cuò)誤地將液體由于重力而產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)等效為液體壓強(qiáng).然而在大氣壓強(qiáng)一節(jié)，測(cè)量大氣壓數(shù)值的實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)課本第40頁(yè))中，課本又強(qiáng)調(diào)有大氣壓作用于液面，如圖3所示.因?yàn)橛绣e(cuò)誤前概念干擾，加大了學(xué)生感受及理解大氣壓的難度.

圖3 托里拆利實(shí)驗(yàn)

滬科版課本中，在液體壓強(qiáng)一節(jié)還介紹了帕斯卡定律的內(nèi)容，然而在大氣壓強(qiáng)內(nèi)容介紹完之后，課本仍未對(duì)前一節(jié)液體壓強(qiáng)理論為何不考慮液面承受的大氣壓做絲毫解釋和說(shuō)明.

其他版本的課本，亦或多或少存在此類(lèi)缺陷.如此前后知識(shí)邏輯不嚴(yán)密，甚至矛盾，不利于提升學(xué)生科學(xué)思維等物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2.2 各地中考題也被誤導(dǎo) 出現(xiàn)了嚴(yán)重的理論錯(cuò)誤

由于課本的誤導(dǎo)，目前幾乎所有的習(xí)題及各省市中考題，對(duì)于液體壓強(qiáng)的計(jì)算，其參考答案都沒(méi)有考慮液面承受的大氣壓.

【例題】(2018襄陽(yáng)市中考理綜40題)一個(gè)圓柱形杯身的杯子，裝12 cm高的水密封后(杯子厚度忽略不計(jì))放在水平桌面上，如圖4(a)所示.再將杯子分別倒置在盛有水和某種液體的容器中，靜止后杯子內(nèi)外液面高度差如圖4(b)和圖4(c)所示.(ρ水=1.0×103kg/m3，g取10 N/kg)求：

(1)圖4(a)中杯底受到水的壓強(qiáng).

(2)圖4(c)中某種液體的密度.

(3)如果杯子自身質(zhì)量為80 g，求杯內(nèi)水的質(zhì)量[4].

圖4 襄陽(yáng)中考理綜40題圖

第一問(wèn)參考答案為：

(1)圖4(a)中水對(duì)杯底的壓強(qiáng)為

p=ρgh=1.0×103kg/m3×

10 N/kg×0.12 m=1 200 Pa

錯(cuò)誤分析：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的數(shù)值為1.013×105Pa，是題中由水重力而產(chǎn)生壓強(qiáng)的80多倍，第一問(wèn)在題目并未明確說(shuō)明杯子密封時(shí)剩余空間沒(méi)有空氣的情況下(默認(rèn)在有大氣壓的情況下)，水對(duì)杯底的壓強(qiáng)應(yīng)當(dāng)為

p=ρgh+p0=1 200 Pa+

1.013×105Pa=1.025×105Pa

然而，答案卻并未考慮大氣壓，直接將液體由于重力而產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)當(dāng)做液體壓強(qiáng)的全部，如此本末倒置，嚴(yán)重違背事實(shí)，理論錯(cuò)誤嚴(yán)重.

3 對(duì)課本的修改建議

由于各版本課本均把液體壓強(qiáng)編排在大氣壓之前，因此，筆者建議，課本液體壓強(qiáng)一節(jié)，在推導(dǎo)液體壓強(qiáng)公式時(shí)，應(yīng)當(dāng)把液體的壓強(qiáng)為p=ρgh改為：液體由于自身重力而產(chǎn)生的壓強(qiáng)為p=ρgh.且設(shè)置信息窗說(shuō)明：很多情況下，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)，其產(chǎn)生原因除了由于液體自身重力外，還有其他原因，在初中階段，液體壓強(qiáng)，一般指的是液體由于自身重力而產(chǎn)生的壓強(qiáng).

這樣既不會(huì)出現(xiàn)前后不嚴(yán)密的錯(cuò)誤，亦可激發(fā)學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生以后繼續(xù)深入研究液體壓強(qiáng).而且各種題目，亦可直接考察液體壓強(qiáng)的計(jì)算而不必?fù)?dān)心液體壓強(qiáng)一詞的復(fù)雜性.

4 反思與思考

課本可以簡(jiǎn)化有關(guān)知識(shí)，但絕不可過(guò)度簡(jiǎn)化以至錯(cuò)誤.物理學(xué)是一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖匀豢茖W(xué)，課本作為學(xué)生獲取知識(shí)、教師傳授知識(shí)的重要參考，通常被認(rèn)為是嚴(yán)謹(jǐn)與權(quán)威的象征，而關(guān)于液體壓強(qiáng)的理論有如此缺陷和不足，確實(shí)會(huì)誤導(dǎo)廣大師生，不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維等物理學(xué)科核心素養(yǎng).

教師不應(yīng)當(dāng)把課本當(dāng)成權(quán)威從而失去了思考和質(zhì)疑，只有敢于求真和質(zhì)疑，并且教育學(xué)生去嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎疾⒋竽戀|(zhì)疑，學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)才能得到真正的提升.