用礦泉水瓶演示“液體壓強與深度關(guān)系”的實驗改進

李曉明

(江蘇省蘇州市相城區(qū)春申中學(xué),江蘇 蘇州 215143)

1 引言

液體內(nèi)部壓強的影響因素是初中物理的重要知識,該知識的掌握有助于后期學(xué)習(xí)浮力產(chǎn)生的原因?！读x務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》要求學(xué)生“通過實驗,探究并了解液體壓強與哪些因素有關(guān)”,這里要求的實驗除了可利用U形管壓強計,也可以利用生活中的礦泉水瓶來進行探究,蘇科版物理八年級下冊第84頁“WWW”的第3小題可作為參考。

這兩個實驗方案都使用到了控制變量法和轉(zhuǎn)換法,相比而言,使用U形管壓強計的方案,實驗現(xiàn)象明顯,可探究的影響因素較多,但對器材的操作技能要求較高;而使用礦泉水瓶方案,不僅器材的獲取比較方便,制作也很簡單,學(xué)生在家就可以完成實驗。

如圖1所示,在空礦泉水瓶的同一水平面扎出兩個小孔a、b,再在下面扎出一個小孔c,并將三個小孔用透明膠帶封上,然后在瓶中裝滿水,再將三個小孔打開,將會觀察到:有水從三個孔中噴出,a、b兩孔水噴出的距離相等,c孔水噴出的距離較遠,實驗現(xiàn)象表明:(1) 液體對容器側(cè)壁有壓強;(2) 在液體內(nèi)部相同深度處壓強相等;(3)液體壓強隨著深度的增加而增大。

圖1

2 實驗的不足之處

該實驗很好地演示了液體壓強與深度和方向的關(guān)系,但如果在自制器材時處理不當(dāng),不能正確扎好小孔的位置,很有可能會出現(xiàn)不同深度處的兩個小孔噴出水的距離相同,甚至出現(xiàn)當(dāng)小孔所處的深度越深,即接近瓶子的底部時,其噴出水的距離反而較小(圖2)。這與我們預(yù)期的實驗效果要相差很多,到底是什么原因呢?

圖2

3 實驗改進

圖3

這樣的改進雖然能夠順利地得到結(jié)論,似乎也能說明問題,但其實該實驗設(shè)計還有不嚴謹?shù)牡胤?由平拋運動知識可知,小孔噴出水的距離除了跟噴水速度有關(guān),還跟下落的時間有關(guān),不同位置的小孔,小水柱做平拋運動的時間不一樣。為了真正地做到控制變量,我們可以在兩只礦泉水瓶的相同位置扎個小孔,然后向兩只礦泉水瓶里裝進不同深度的水,比較兩小孔的噴水距離(圖4)。

圖4

筆者在親自實踐后又發(fā)現(xiàn)了一個問題：由于小孔單位時間噴水流量較大,液面下降較快,所以噴水距離在快速變小,不方便同時觀察和對比。為了減慢小孔的噴水流速,筆者又嘗試把小孔扎得盡量細小些,實踐之后發(fā)現(xiàn),雖然液面下降變慢了,但由于空氣阻力的原因,小孔噴出小水柱一段距離后變成散射的霧狀,落到桌面上的范圍變大,更不利于比較噴水距離。后來經(jīng)過多次的嘗試和改進,都沒有獲得理想的預(yù)期效果。

筆者在醫(yī)院看到輸液瓶能夠以恒定速度對患者輸液,受到啟發(fā)后,對該實驗又進行了一次改進:如圖5所示，在礦泉水瓶上下距離合適的位置分別扎兩個小孔a、c,同樣用透明膠帶封住小孔,向礦泉水瓶里注水,在注滿之前留有一點空隙,然后蓋緊蓋子,先撕開c孔的透明膠帶,發(fā)現(xiàn)沒有水噴出,再撕開a孔的透明膠帶,發(fā)現(xiàn)a孔有少量水“滲出”,并伴有氣泡浮向水面;c孔在液面下降至a孔前噴水距離保持不變,而液面下降至a孔后,噴水距離才逐漸變小。仔細分析,不難理解這一現(xiàn)象的原因:撕開a孔透明膠帶,因為大氣壓的原因而“沒有水噴出”,隨后撕開c孔透明膠帶的瞬間,a、c兩孔均受到外界大氣壓p0的作用,同時也受到瓶內(nèi)液體壓強p液和液面上方少量氣體壓強p內(nèi)的合作用,且有p液+p內(nèi)>p0,所以a孔有少量的水流出,水一旦流出,瓶內(nèi)的液面就會下降,液面上方氣體壓強p內(nèi)和液體壓強p液隨之變小,a孔首先達到p液a+p內(nèi)=p0的條件,而c孔仍然滿足p液c+p內(nèi)>p0,所以c孔仍然有水噴出,此時液面會繼續(xù)下降,從而a孔會出現(xiàn)p液a+p內(nèi)

圖5

3 心得體會

我們不能一步到位地用設(shè)計好的器材去演示“液體壓強與深度的關(guān)系”,應(yīng)依托教材現(xiàn)有的資源,通過實踐、分析、評估和討論,循序漸進地去發(fā)現(xiàn)、解決問題,切實培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。對于最終改進的器材,我們還需去理解a孔處的水平面才相當(dāng)于真正的水面,保持c孔的位置不變,改變a孔的位置,即改變了c孔所處的液體深度。

用礦泉水瓶去演示液體壓強與深度的關(guān)系,會讓學(xué)生感覺到物理離生活很近,容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情,我們要保護和維持學(xué)生的興趣和熱情,切不能讓物理實驗停留在現(xiàn)象表面,并由這種現(xiàn)象簡單粗暴地得到我們想要的實驗結(jié)論。

物理作為一門以實驗為主的科學(xué),《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》提出了“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念,這不僅要求我們在教學(xué)中要貼近學(xué)生的生活,而且要把掌握的物理基礎(chǔ)知識和技能應(yīng)用于實踐、生活。