定性定量探究液體內部壓強的實驗裝置*

葛興爍 李 強

(石家莊市第四十八中學 河北 石家莊 050024)

紀登輝

(石家莊學院物理學院 河北 石家莊 050024)

液體壓強的內容是學生學習浮力內容的基礎[1]．在教學過程中，先利用U形管壓強計定性探究液體內部壓強與液體密度和深度的關系．最后，通過理論推導直接給出計算液體內部壓強的公式．從定性研究到直接給出計算公式這一過程中，對學生來說顯得非常突兀和不自然．為了解決這一問題，曾有學者利用數顯技術，對所測數據，進行分析得出液體內部壓強與液體密度和深度的關系[2-5]．但這些實驗器材，要么成本太高，難以推廣．要么數據測量方法困難，數據準確性難以保證．為把探究液體內部壓強實驗拓展為既可定性也可以方便定量的實驗，進行了相應設計．

1 建立實驗模型

液體壓強p=ρgh表達了液體產生壓強與液體密度、液體深度、g的關系．要想確立這個關系，就必須利用合適的儀器，測量出4個物理量，利用數學知識進行數據分析，得出各物理量之間的關系．筆者結合傳統的液體壓強計的設計原理，將GM510手持式數字壓力計與原裝置中的圓盒通過橡皮管相連，就能組成一個新的實驗裝置，如圖1所示．

圖1 實驗裝置圖

組合裝置的實驗原理與傳統U形管壓強計原理類似，如圖2所示．數字壓力計的左端與大氣連接，右端通過軟管連接圓盒，將圓盒豎直插入水中一定深度處，此時橡皮膜受到的壓強p=p0+ρgh．根據帕斯卡定律，橡皮膜將壓強通過封閉在橡皮管中的氣體，傳遞給數字壓力計．因此，軟管中的氣壓為p0+ρgh．數字壓力計此時顯示的數值就是左右兩端的壓強差，即ρgh．利用此裝置便能測量出液體內部壓強的大小．

圖2 實驗裝置原理

2 實驗探究

2.1 定性探究液體壓強與液體深度和密度的關系

實驗步驟：

(1) 把實驗裝置放置右水平桌面上，將橡皮管與壓力計的接頭連接．未深入液體時，屏幕示數顯示為0 kPa (如果不是0，就需要通過校零按鈕，使其歸零)；

(2) 將圓盒慢慢深入液體中，待示數穩定后，記錄此時對應深度h及液體壓強p大小；

(3)改變深入液體的深度，再次實驗，記錄結果數據如表1；

表1 利用水(1.0 g/cm3)探究液體壓強與深度的關系

(4) 換用不同種類的液體，重復上述3個步驟，并記錄實驗數據如表2和表3．

表2 利用食鹽水1(1.04 g/cm3)探究液體壓強與深度的關系

表3 利用食鹽水2(1.1 g/cm3)探究液體壓強與深度的關系

分析表格中的數據，可以得出結論：在液體密度一定時，深度越深，壓強越大．同時，在深度相同時，液體密度越大，壓強越大．

2.2 定性探究液體壓強與液體深度和密度的關系

利用Excel軟件對上述3個表格中的數據進行處理分析，得到壓強與液體深度的關系圖像，如圖3所示．選中某一固定液體深度h=137 m，再利用Excel軟件處理液體壓強與液體密度的關系，得到圖像，如圖4所示．

圖3 液體壓強與液體深度關系圖

圖4 液體壓強與液體密度關系圖

分析圖3可知，在誤差允許范圍內，對于同種液體，液體壓強p與液體深度h成正比．分析圖4可知，在誤差允許范圍內，對于同一深度，液體壓強p與液體密度ρ成正比．

3 推導定量規律

數據分析得到液體壓強p與深度h成正比，與液體密度ρ成正比．由此可得出液體壓強p與h、ρ的乘積成正比．接著可以得出關系式p=kρh式中的k是一個系數．以一組數據為例，如表中h=0.137 m時，液體密度ρ水=1 000 kg/m3，此時壓強約為1 350 Pa，帶入關系式可以得出k≈10 N/kg．結合k的數值，學生大膽猜想，多半能察覺出這個系數或許就是曾經學過常數g=10 N/kg．再將表中的其他數據代入公式p=ρgh，進行多次檢驗，最終流暢自然、科學地得出液體壓強公式．

4 結束語

經反復實驗證實，實驗裝置可靠有效，適合課堂演示與分組實驗．作為定性教學時，利用數字壓力計直接顯示液體壓強大小，現象更直觀，更容易被學生接受．定量實驗時，利用Excel處理實驗數據，利用圖形表達物理量之間的關系更加直觀易懂，同時促進了計算機教學在物理教學中的應用．本實驗裝置相較于DIS傳感器成本低廉，實用性更強．本次實驗僅選用圓柱形容器進行了實驗，沒有探究容器形狀是否對液體壓強有影響．今后可以選取更多不同外形的容器進行實驗，從而使液體內部壓強影響因素的研究更為全面．

物理教學中有很多微觀的物理現象、抽象的物理概念、生活的前概念認知阻礙等，這必將要求在物理教學中促使物理實驗現象明顯，可視性強，而數字化實驗裝置的使用在快捷搜集實驗數據、顯性化研究物理規律、定量化建構物理概念等方面起著重要的作用．因此教師在中學物理實驗教學中，可以加大數字化實驗裝置的使用，一方面可以增強實驗現象的演示效果，另一方面可以彌補定量數據處理方面的不足，同時也可以在很大程度上提高學生的實驗效率，增強學生學習物理的興趣，提升學生的科學探究能力．