液體壓強創新實驗

張煜悅

(宿遷市鐘吾國際學校 江蘇 宿遷 223800)

實驗教學是物理教學的重要組成部分，是培養學生科學素養的重要途徑.在設計實驗教學時，教師不僅可以用已有的實驗方案和實驗器材進行實驗教學，還可以開發新的實驗資源.根據2011版義務教育物理課程標準要求，應大力提倡用身邊的物品做實驗，這樣不僅能拉近物理與生活的距離，讓學生感受到科學的真實性，增強學生的創新意識，培養學生的探索精神，還能補充實驗課程資源[1].筆者沿著這一思路，利用輸液裝置和一次性注射器，對液體壓強實驗進行創新設計.

“液體壓強”選自蘇科版物理教科書八年級下冊第十章(壓強和浮力)第2節[2]，課本中設計了兩個實驗活動:一個是體驗液體壓強的存在；另一個是探究影響液體內部壓強的因素，均存在一定不足[3].為了使學生對液體壓強形成一個定性的認識，本文通過觀察液體壓力的作用效果來設計實驗.具體實驗設計如下.

1 體驗液體壓強

1.1 教材實驗方案存在的問題

教材設計了兩個體驗液體對容器有壓強的實驗.一個是在兩端開口的玻璃管的其中一端固定上橡皮膜，然后在玻璃管中注水，觀察到橡皮膜向下凸起[如圖1(a)所示]，說明液體對容器底部有壓強.由于實驗器材的限制，一般作為演示實驗，但是實驗現象可觀性不強，距離實驗器材較遠的學生基本上看不清橡皮膜是否產生了形變.另一個是用手指觸壓裝滿水的塑料袋[如圖1(b)所示]，根據手指的觸覺，判斷出液體對容器側壁有壓強.

(a)液體對容器底部有壓強

(b)液體對容器側壁有壓強

教材中的實驗只說明了液體對容器底部和側壁有壓強，然而生活中的容器有很多都是不規則的(如圖2所示)，那么液體對容器的其他方向，尤其是對容器的上壁是否有壓強？對于這一知識點，學生容易產生疑惑.筆者利用輸液裝置和一次性注射器組成的實驗裝置設計實驗為其解惑.

圖2 生活中的容器

1.2 感知液體壓強 引入實驗裝置

利用輸液裝置制造“噴泉”,如圖3所示，通過演示“水往高處流”，讓學生知道液體也能產生壓強.具體操作是首先將塑料輸液瓶上端開口,與空氣連通，從開口處倒入染色的水(便于觀察)，并將輸液瓶掛在支架頂端.然后在末端接上較粗的針頭，使噴泉液柱較粗便于觀察.最后將針頭向上放置，打開閥門，液體就會向上噴出.這個實驗現象在醫生為病人輸液前給輸液管排氣時都會出現，很多去醫院輸過液的學生都見過，但很少有學生會深入思考產生這一現象的原因.該實驗設計采用生活中的常見器材，能讓學生更直觀地理解液體壓強，激發學生的學習興趣和求知欲，鼓勵學生積極觀察生活中的現象、善于思考.

圖3 人造“噴泉”

1.3 體驗液體對容器各個方向都有壓強

在體驗液體對容器是否有壓強時，需要排盡輸液管中的空氣，尤其是莫菲式滴管中的氣體也要排盡，使輸液管中充滿水.并且把針頭換成一次性注射器，此時輸液裝置和一次性注射器構成一個容器,如圖4所示.

如圖4(a)所示,將一次性注射器水平放置時，活塞相當于容器的側壁，打開閥門后活塞運動了，說明活塞受到了液體的壓力，液體對容器的側壁有壓強.將一次性注射器在豎直平面內順時針旋轉90°[如圖4(b)所示]，此時活塞相當于容器的底部，打開閥門后活塞運動了，說明液體對容器的底部有壓強.再將一次性注射器在豎直平面內順時針旋轉180°，此時活塞相當于容器的上壁，打開閥門后活塞運動了，說明液體對容器的上壁有壓強.再將一次性注射器活塞置于任意方向，觀察到活塞在任意方向都會運動，說明液體對容器各個方向都有壓強.

(a) 液體對容器側壁有壓強 (b)液體對容器底部有壓強

該實驗清楚地呈現了液體對容器各個方向都有壓強，同時還能通過注射器活塞運動變化得快慢反映活塞受到的液體壓力的大小，因此,該實驗裝置還可以用來定性地探究液體壓強的影響因素.

2 探究液體壓強的影響因素

2.1 教材實驗方案存在的問題

教材上的實驗是利用壓強計和燒杯來探究影響液體內部壓強大小的因素，其結論是液體內部壓強與深度、密度有關，與方向無關.事實上，這一結論也適用于液體對容器的壓強，但教材上的實驗沒有說明.而上述輸液裝置和一次性注射器組成的實驗裝置可以很直觀地展示液體對容器壓強的影響因素.

2.2 探究液體壓強影響因素的創新方案

在教學過程中，此探究實驗通常探究液體壓強與方向、深度和液體密度的關系，具體操作如下：

首先，在探究液體壓強與方向的關系時，使用同種液體，保持注射器所處深度不變，通過改變注射器活塞的方向，觀察活塞運動變化得快慢來判斷液體壓強的大小(也可以比較活塞從零刻度移動到最大刻度所用的時間).實驗現象是，活塞位于不同方向時，活塞運動變化得快慢幾乎相同.說明液體壓強與方向無關.

其次，在探究液體壓強與深度的關系時，使用同種液體, 只改變注射器所處的深度，根據活塞運動變化得快慢來判斷液體壓強的大小.實驗現象是，同種液體深度越深，活塞運動變化得越快.這就說明在同種液體中，液體壓強隨深度的增大而增大.此外，也可以利用“噴泉”裝置進行探究，改變噴泉口所處的深度，根據噴泉液柱的高度判斷液體壓強的大小.實驗現象是，同種液體深度越深，噴泉液柱越高.這也能夠說明在同種液體中，液體壓強隨深度的增大而增大.

最后，在探究液體壓強與液體密度的關系時，選擇染色的水和密度更大的硫酸銅溶液(兩組實驗同時進行)，當注射器活塞所處深度相同時，通過觀察活塞運動變化的快慢來判斷液體壓強的大小.實驗現象是，密度更大的硫酸銅溶液對應的活塞運動變化得更快.這就說明當深度相同時，液體壓強隨液體密度的增大而增大.

3 創新實驗的優點和不足

相較于教材上的實驗，本文利用輸液裝置和一次性注射器設計的實驗有以下幾個優點：

一是由常見器材和生活中的常見現象引入實驗裝置和實驗，體現了從生活走向物理.結合生活中的常見現象進行實驗教學，再用實驗結論對生活中的現象進行科學解釋，能讓學生體會到學有所用，激發學生的學習積極性.

二是對液體壓強現象的展示更全面，通過實驗可以體驗液體對容器各個部位都有壓強，特別是對容器上壁有向上的壓強，而這個知識點很多學生不理解、易犯錯.

三是輸液管較長，活塞所處深度大，并且可變換的深度范圍較大，在探究液體壓強與液體密度或者深度的關系時，實驗現象更加明顯.

四是實驗器材常見易得、價格低廉，且實驗現象明顯.在教學過程中，既可以進行演示實驗，也可以進行分組實驗.

該創新實驗也存在一些不足：

一是在探究液體壓強與液體密度的關系時，需要保持活塞所處的深度相同，但在實驗過程中，將注射器水平放置在水平桌面上，打開閥門后，輸液瓶中液面會不斷下降，導致活塞所處的深度逐漸減小.為減小實驗誤差，應當選擇橫截面積較大的輸液瓶，這樣當流出相同體積液體時，液面高度下降較小.同時讓活塞處于深度較大的位置，這樣液面高度的下降對活塞所處深度的影響就較為輕微，可以認為活塞所處深度幾乎不變.

二是不同一次性注射器的活塞與外殼之間的摩擦力難免會有細微差別，為了減少摩擦力不同對實驗的影響，實驗前可用彈簧測力計測出摩擦力大小，選擇摩擦力大小相同的一次性注射器進行實驗.

在一次性注射器的選用上，為了提高實驗的可觀性，應當選擇容積較大的一次性注射器，但也并非越大越好.一次性注射器容積越大，活塞與一次性注射器外殼之間的摩擦力也越大，而且會導致輸液瓶中液面下降的高度變大.筆者在設計實驗時，比較了容積為20 mL，60 mL和100 mL的一次性注射器，發現20 mL一次性注射器的活塞運動變化最快，輸液瓶中液面下降的高度最小，但20 mL一次性注射器較小，可觀性不足；100 mL一次性注射器的活塞運動變化最慢，輸液瓶中液面下降的高度最大，實驗誤差較大.經過綜合比較，發現使用60 mL一次性注射器進行實驗的效果最好.

4 總結

教師應當積極利用生活中的常見物品進行創新和拓展實驗，引導學生思考生活中的實驗現象，體會學有所用，使學生愛上并積極主動學習物理.在設計實驗時，應當盡量設計容易操作的實驗，使實驗現象生動、直觀，便于學生觀察和理解.