用自制教具探究液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系

王超

摘? ?要：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)利用微小壓強(qiáng)計(jì)研究液體壓強(qiáng)與深度的定性關(guān)系，文章利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置可研究液體壓強(qiáng)與深度的定量關(guān)系，加深學(xué)生對(duì)液體壓強(qiáng)和深度關(guān)系的理解。

關(guān)鍵詞：自制教具;液體壓強(qiáng);深度;定量探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）7-0049-3

1? ? 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的回顧

《液體的壓強(qiáng)》選自人教版物理八年級(jí)下冊(cè)第九章第2節(jié)，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用微小壓強(qiáng)計(jì)通過控制變量法和轉(zhuǎn)換法來研究液體壓強(qiáng)與深度的定性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中并不直接測(cè)量液體壓強(qiáng)的大小，而是將液體壓強(qiáng)的大小轉(zhuǎn)換為U形管液面高度差，U形管中液面高度差越大，表明該處液體壓強(qiáng)越大。

如圖1所示，學(xué)生觀察到微小壓強(qiáng)計(jì)探頭在同一深度處分別向上、向下、向側(cè)面時(shí)，U形管中液面高度差均不變，可以得出結(jié)論：液體內(nèi)部同一深度處向各個(gè)方向的壓強(qiáng)均相等。

在課本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察到在同種液體（水）中不同深度處，U形管兩端液面高度差不同，且U形管液面高度差隨探頭深度的增加而增加。由此可以得出結(jié)論：當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)隨深度的增大而增大[1]。

2.2? ? 制作過程

（1）利用有機(jī)玻璃板制作尺寸為25 cm×20 cm×25 cm的透明水槽，并在水槽底部固定四根玻璃立柱，用于固定載物盒，使載物盒能夠水平漂浮于水面，不會(huì)因重力不均勻而傾斜;

（2）利用有機(jī)玻璃板制作尺寸為10 cm×10 cm×10 cm的載物盒，并在載物盒中央安裝一根豎直玻璃管，玻璃管內(nèi)徑比待加入的砝碼直徑稍大;

（3）用AB膠在載物盒左右兩側(cè)粘上兩只空心圓筒，使圓筒能夠順著兩側(cè)的玻璃立柱上下滑動(dòng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)筆者在玻璃立柱與圓筒之間涂抹了少量甘油作為潤(rùn)滑劑用于減小摩擦;

（4）在載物盒的一個(gè)側(cè)面貼上有長(zhǎng)度刻度的貼紙，可以用于測(cè)量載物盒浸入水中的深度。

除以上需自制的器材外，實(shí)驗(yàn)演示過程中還需要鑷子、質(zhì)量為100 g的砝碼（5個(gè)）、甘油等。

3? ? 教學(xué)中教具的使用

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)演示過程

（1）在載物盒左右的空心圓筒中涂滿甘油，將載物盒兩側(cè)的空心圓筒套入固定立柱，水平浸入水中，最終處于靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)載物盒的質(zhì)量為200 g，記錄此時(shí)載物盒底部浸入深度2.10 cm（0.0210 m）;

（2）用鑷子添加第一個(gè)100 g砝碼，此時(shí)載物盒總質(zhì)量為300 g，記錄載物盒靜止時(shí)底部浸入深度為3.10 cm（0.0310 m）;

（3）用同樣的方式再依次加入三個(gè)100 g的砝碼，使載物盒的總質(zhì)量分別為400 g、500 g、600 g，對(duì)應(yīng)的深度分別為4.00 cm（0.0400 m）、5.10 cm（0.0510 m）、6.20 cm（0.0620 m），如圖4;

（4）取出載物盒和砝碼，整理實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.2? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）利用表格分析p-h的關(guān)系

為了方便學(xué)生觀察p-h之間有怎樣的定量關(guān)系，對(duì)于壓力F和液體壓強(qiáng)p筆者用表1的形式記錄。填寫完畢后請(qǐng)學(xué)生觀察表格數(shù)據(jù)，嘗試尋找p-h的倍數(shù)關(guān)系。

（2）利用圖像分析p-h的關(guān)系

為了更直觀地反映二者之間的關(guān)系，筆者為學(xué)生提供了坐標(biāo)紙，請(qǐng)學(xué)生將得到的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙中描點(diǎn)作圖，觀察并總結(jié)得出p-h的關(guān)系。學(xué)生完成后，教師用Excel軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生觀察該過程，將自己的結(jié)論與老師的做對(duì)比，如圖5。

通過分析圖像關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生得出在水中液體壓強(qiáng)與深度的定量關(guān)系：當(dāng)水的密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與深度成正比。

用同樣的方法可以引導(dǎo)學(xué)生利用不同的液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別觀察不同液體中液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系。

綜上所述，可以得出普遍結(jié)論：當(dāng)液體的密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與深度成正比。同時(shí)，還可以引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：對(duì)于密度不同的液體在同一深度處，液體密度越大，壓強(qiáng)越大。

4? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)反思

受托里拆利實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，該教具利用固體壓強(qiáng)來測(cè)量液體壓強(qiáng)的大小，原理簡(jiǎn)單易懂，現(xiàn)象明顯，數(shù)據(jù)信度、效度高;同時(shí)制作簡(jiǎn)單，形象直觀，具有可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，可作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)使用，能夠有效提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)據(jù)處理的能力。仍需改進(jìn)的地方是可設(shè)法減小載物盒與固定立柱之間的摩擦力，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2012：33-35.

[2]劉貴毅. 液體壓強(qiáng)和深度關(guān)系實(shí)驗(yàn)器的改進(jìn)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2002（4）：13.（欄目編輯? ? 王柏廬）