液體的壓強創新實驗

張前軍

(金陵中學仙林分校中學部，江蘇 南京 210033)

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對液體的壓強要求是“通過實驗,探究并了解液體壓強與哪些因素有關”.蘇科版教材在“液體的壓強”一節中也突出以科學探究為載體,在研究中只要求得到壓強和深度、液體的密度的定性關系,不要求定量計算．因此,蘇科版教材正文中沒有安排液體壓強的理論推導方法和結果的內容,以及連通器原理的內容．在實際教學中,這給學生提出有依據的、排除“偽科學”的猜想帶來不小障礙,如排除諸如重力(質量、體積)這一猜想因素在教學中通常都是不了了之．在使用U型管壓強計中“通過兩液面的高度差反映壓強的大小”缺乏必要的、充分的過渡,學生始終對用這種半定量儀器來測量液體壓強的科學性存在疑惑．筆者通過自制教具,對解決以上問題作了一點嘗試,現與同行交流如下．

1 創新實驗,提高猜想與假設的效度

1.1 巧設情境,激發有依據、導向明確的猜想

圖1 壓強與深度、密度關系

對于初二學生來講,剛學習物理,普遍缺乏對生活中各種物理現象的關注和挖掘生活中與物理相關事物的意識,在進行探究式教學時,需要教師創設導向明確的探究情境,激發學生的探究欲望,讓學生進行有依據的猜想．

如圖1所示,在4根相同的、一端封有橡皮膜的塑料管中裝入紅色的水(1、2、3號管)和藍色的濃鹽水(4號管),將4根管子同時懸掛在支架上．該對比實驗中的現象明顯,啟發猜想的導向性特別明確,容易誘發學生根據1、2、3號管底端橡皮膜鼓起的球狀大小得出“液體內部的壓強可能與液體的深度有關,深度越大,壓強越大”的猜想,根據3、4號管底端橡皮膜鼓起的球狀大小得出“液體內部的壓強可能與液體的密度有關,密度越大,壓強越大”的猜想．

1.2 去偽存真,提煉有價值、表達準確的猜想

圖2 壓強與重力關系

在圖1所示中,學生根據1、2、3號管的現象也可能猜想影響液體內部壓強的因素與液體的重力(質量、體積)有關,如圖2所示,5號管子下端與前面4根管子相同,5號管的上端接上較細的管子,3號管與5管中紅水深度相同,管子下端橡皮膜鼓起的球狀大小也相同,由此非常直觀地排除影響液體內部壓強的因素與液體的重力(質量、體積)有關的猜想．

圖3 壓強與長度關系

在教學中,學生在猜想中可能把“深度”說成“長度”,在圖1所示現象中這兩者是沒有區別的,如圖3所示,將裝有紅水的2號管子緩慢從豎直狀態轉動到傾斜,在轉動的過程中管子底端的橡皮膜鼓起來的球狀由大變小,與3號管對比可以看出,雖然2號管中水柱比3號管中的長,但其深度小,2號管下端橡皮膜鼓起的球狀體也小．因此,影響液體內部壓強的因素與液體的“深度”有關,而不能說成是“長度”．

2 創新實驗,凸顯構建U型壓強計原理的思維過程

在“探究影響液體壓強的因素”實驗中,需要一個能夠反映液體壓強大小的測量儀器,如圖4(甲)所示,一端封有橡皮膜的管子,若管子裝有液體或插入液體中,根據橡皮膜的形變程度完全可以反映液體壓強的大小．

圖4 壓強計演變過程

而事實上,橡皮膜形變的細微變化是難以分辨,用橡皮膜的形變程度反映液體壓強大小的靈敏度不高．但橡皮膜形變會帶來管內空氣柱的移動,根據空氣柱的移動距離也可以反映液體壓強的大小.由于空氣看不見,可以在管內封閉一段活塞,如圖4(乙)所示,空氣柱的移動會帶活塞的移動.這樣將橡皮膜形變程度進一步轉換為活塞的移動距離來反映液體壓強的大小．

通過按壓橡皮膜,發現活塞移動的距離較小,還不能較靈敏地反映壓強的變化.現將活塞部分的管子和活塞加以改進,如圖4(丙)所示,活塞部位的管子變成細的軟管,管內封閉一段紅水,輕微按壓橡皮膜,水柱移動的距離較大,因此可以說水柱的上液面、水柱的下液面和水柱的移動距離都能夠反映液體壓強的大小．

如圖4(丁)所示,將紅水柱部位軟管制成U型管,將兩個液面移動距離累加到一起來反映液體壓強的大小,即通過觀察兩個液面的高度差反映液體壓強的大小,進一步提高壓強計的靈敏度,并在U型管背面標上刻度線,方便定量記錄液面高度差.這樣一個實用的液體壓強計就誕生了,它和實驗室的U型管壓強計在本質上沒有區別．

以上通過模型構建液體壓強計的雛形,運用轉換放大的思想引導學生分析雛形的不足并在改進過程中理解液體壓強計的原理.雖然學生不一定能夠想到具體怎么做,但至少能夠讓學生認識改進研究細微變化的方法是轉換放大法,在此過程中有力的培養了學生的科學思維．

3 自制教具,知之非難,行之不易

在以上創新實驗中,最難制作是圖1中的封有橡皮膜的長管,現與大家分享制作方法如下.

(1) 細管選擇:淘寶網購亞克力透明圓管(外徑20 mm、厚度2 mm、長度750 mm),在管子一端直徑上打孔(直徑4 mm)方便懸掛．

(2) 橡皮膜選擇:光面安全套．

圖5 橡皮膜安裝

(3) 制作過程: ① 將準備封閉橡皮膜的圓管一端轉動接近酒精燈火焰,使圓管端口邊緣略微熔化變圓滑狀; ② 將橡皮膜在略張緊狀態下蒙到圓管上,并在橡皮膜上扎緊2道線,其中第1道線緊貼圓管端口,第2道線離圓管端口約8 mm,如圖5所示．

(4) 調試方法:以其中一根管子為標準(不需要調整橡皮膜松緊),向標準管中加水,直至橡皮膜凸出為球狀為止.再向其它調試管中加水,直至橡皮膜凸出為球狀為止.若管子中水柱比標準管中的長且橡皮膜凸起的球狀體比標準管的偏小,說明橡皮膜偏緊;反之,說明橡皮膜偏松．松開調試管上的第1道線,推動(不是松開)第2道線調整橡皮膜的松緊程度,再扎上第1道線后加水,與標準管比較水柱長短和橡皮膜球狀體大小,反復幾次直至與標準管加水時狀態相同.這樣調試好的管子可以認為都是相同的管子．

(5) 特別注意: ① 管子不能太粗,否則橡皮膜凸起過大容易破裂,降低橡皮膜的使用壽命; ② 管上封閉橡皮膜的端口務必用火焰烤一烤,消除直角邊緣和毛刺,否則特別容易碰破橡皮膜,為保護橡皮膜通常還在使用前給橡皮膜戴上棉手指套; ③ 若橡皮膜在松馳狀態下蒙到圓管上,雖然能保證橡皮膜的初始松緊狀態基本一致,減少反復調試之苦,向管中加更多水時橡皮膜球狀體雖然變大,但管中水柱長度反而是減小的,將無法得到與猜想影響因素“深度”正相關的情境．