液体内部压强实验装置的改进及公式推导

摘要

对液体内部压强实验的装置和方法进行改进。学生通过观察演示实验初步了解液体内部存在压强，从而定性认识压强与液体的密度和深度有关；利用改进后的液体压强计测量液体压强，分析液体压强与液体深度和密度的定量关系，从而推导出计算液体压强的公式。

Graphical abstract

关键词

液体 / 压强 / 实验装置 / 改进 / 公式 / 推导

在初中物理阶段，对于液体内部压强的探究，未从定量方面推导出液体压强的计算公式。八年级学生的形象思维较强而抽象思维较弱，这就决定了学生需要顺着知识的产生过程去想象、猜想，并从中感悟。基于上述学情，教师首先要使学生产生学习兴趣，促其情绪高涨，才能使探究实验教学收到好的效果。当学生提出自己的看法和猜想后，再利用实验器材设计实验来验证猜想，记录观察结果，由此推理并得出结论，才能培养学生的逻辑思维能力。为此，在教学中引入教具，探究实验器材的准确度，并定量推导出液体压强的计算公式。

1 主要教学目标

借助小组合作探究实验，学生可经历探究过程，学习科学方法，从而培养其发现问题和解决问题的能力^［1］。教学目标可概括为：知道液体内部有压强，且向各个方向都有压强；通过实验探究活动，知道液体内部压强的规律；学会使用微小压强计等装置，初步探究液体内部压强的特点；测量液体压强与液体深度、密度，确定其定量关系，从而推导出液体压强的计算公式。

2 教学方法的改进

2.1 通过魔术装置引出液体压强课题

魔术装置如图1所示。抬高右侧有机玻璃管，管中的水面升高，增大液体压强，可使左侧注射器活塞上移，推动小玩具上升；降低右侧有机玻璃管中的水面，减小液体压强，可使左侧注射器活塞下移，小玩具下移。

2.2 感知液体压强

通过实验活动，学生体验液体内部压强的存在及液体压强产生的原因，感性认识液体压强的存在、产生原因及特点。

教师让学生观察一个实验装置，即向一个蒙有薄膜的空瓶里倒水，学生观察到底部和侧壁的薄膜都向外凸起，说明液体对容器的底和侧壁施加了压强。提问学生：液体对容器底部的压强方向朝哪？产生的原因是什么？学生回答：容器底部的压强方向朝下，产生的原因是液体有重力。液体具有流动性，所以侧壁也有压强。

实践证明，教师让学生通过实验来感受液体压强的存在，并初步认识液体压强的特点，效果较好。

实验1：把塑料手套戴在手上，放入盛有水的水槽中，感受液体压强的存在。

实验2：将封有薄膜的立方体放入水中，学生观察薄膜的变化，思考并讨论实验现象分别说明了什么？

学生容易得出：液体内部存在压强。

学生汇报：把立方体放入水中后，立方体四面的薄膜向内凹陷；把立方体浸入水中越深，薄膜的凹陷程度越高；立方体两侧薄膜凹陷程度基本相同；立方体下面薄膜比上面薄膜的凹陷程度高。学生猜想液体压强可能与各个方向、深度及液体密度有关。

3 探究实验的改进

3.1 认识和使用微小压强计、探头

如何反映液体内部压强的大小，这是探究液体压强必须解决的问题。为了探究液体内部压强特点，笔者制作了一个专门用来测量液体压强的仪器——微小压强计（图2）。

微小压强计的原理是挤压薄膜，从而挤压管内空气，引起压强计内指针的偏转，这是运用到了转换法。

用夹子竖直固定位置后，通过上下移动金属杆来调节探头的深度；通过转动探头最上方的旋钮，可带动皮带的传动来改变探头的方向。

拔掉压强计的接头，将压强计的玻璃管放入水中进行实验，即可记录玻璃管内液面与水面的高度差（即深度）。

利用机械液压表，学生很容易得出液体压强与方向、深度、液体的密度有关。但要得到液体压强与深度、液体的密度的定量关系，还需要更加精确的数据。

3.2 探究液体内部压强的特点

为了使测量的数据更准确，可采用液压传感器替代压强计，以数字方式显示液体压强大小。通过液压传感器，可以将压强信号转换为电信号，显示屏上输出的数字即为探头所在处的液体压强值。师生一起观察并记录探头浸入3种液体同一深度处的压强值，再将三者的实验数据填入Excel表，即可由Excel绘制出3种液体压强与液体深度、密度的关系图象。

（1） 探究液体压强与方向的关系。

在同种液体的同一深度，虽然改变探头的方向，但发现液压传感器的读数未发生变化，据此可以得出结论：同种液体的同一深度，各个方向的压强相等。

（2） 探究液体压强与液体深度的定量关系。

让学生归纳液体压强与液体深度的定量关系。

将实验数据填入表格中，借助数据在坐标纸上作图，利用函数图象分析液体压强与其深度的定量关系。

根据表1和图3，可以得出结论：当液体的密度相同时，液体的压强大小与液体深度成正比。

（3） 探究液体压强与液体密度的定量关系。

根据表2和图4，可以得出结论：当液体深度相同时，液体压强的大小与液体密度成正比^［2］。

分析数据和图象，可以得出液体压强的大小与液体深度、密度成正比，写成：p=k\rho h。

再分析数据，求出正比关系式的比例系数。

由数据推算：p=kρh，其中比例系数k的取值约取k=9.8 Pa·m²/kg（见表3、表4）。压强的定义式为p=F/S，变形公式为F=pS，可知单位Pa·m²亦可为力F的单位，即有：1 Pa·m²=1 N，上面的比值可写k=9.8 N/kg。再根据重力的计算公式G=mg可知，其变形可得：g=G/m，据此可以得出k=g=9.8 N/kg。所以，上面的液体压强计算公式就可以写成：p=kρh。即：p=ρgh。

4 结语

课堂上通过体验活动呈现物理实验现象，学生得到了充分体验，不仅有助于培养学生对于实验现象的描述能力，以及分析实验现象的能力，还能启发学生思考液体压强的大小与什么因素有关。将手放入水中不同深度，给了学生真实的感知体验，能使学生感受到液体内部压强随深度的增加而增加，这就为后面具体探究液体内部压强与哪些因素有关的实验奠定了基础。事实证明，学生对直接体验液体压强感觉很新鲜，课堂气氛十分活跃，提高了学生的学习兴趣。

参考文献

[1] 侯纯富.物理教学中学生直觉思维的培养［J］.黑龙江教育（理论与实践），2002（11）：42.

[2] 黄毅.基于高中物理学科核心素养培养的物理教学探究［J］.求知导刊，2023（20）：26-28.