新課標下自制新型數(shù)字化教具探究液體壓強規(guī)律

莊中木　劉信生　林軍

《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》（以下稱“新課標”）增加了“探究液體壓強與哪些因素有關(guān)”的探究性實驗內(nèi)容。為響應(yīng)新課標，筆者運用氣體壓強傳感器等器材，自制創(chuàng)新實驗裝置開展“探究液體內(nèi)部壓強特點”系列數(shù)字化實驗探究活動，實現(xiàn)由定性化測試向定量化測量的轉(zhuǎn)變，以提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性，增強實驗探究的科學性，凸顯實驗教學在提升學生科學思維能力方面的教育價值。

一、落實新課標需要創(chuàng)新實驗

對于初中物理液體壓強特點及其規(guī)律，新課標要求教師引導學生“探究并了解液體壓強與哪些因素有關(guān)”。它是新課標中課程內(nèi)容的五個一級主題之一“運動和相互作用”下面的二級主題“機械運動和力”中一個重要的三級主題內(nèi)容。特別需要強調(diào)的是，新課標的“實驗探究”一級主題中要求學生必做實驗中，“數(shù)字化實驗”取代了原來的“數(shù)顯化”，新增加了“探究液體壓強與哪些因素有關(guān)的”探究性實驗，進一步凸顯液體壓強知識教學的重要性。液體壓強涉及前面的壓力與壓強、重力、質(zhì)量、密度、體積和面積等物理量，為學生后續(xù)學習浮力、浮力產(chǎn)生原因與浮沉條件奠定基礎(chǔ)，它在教學中起承上啟下的作用。但是液體壓強知識具有的綜合性和抽象性，加之受到思維習慣影響與認知水平的限制，學生難以從實驗結(jié)果推導出實驗結(jié)論，也難以透徹理解教師給出的實驗結(jié)論，所以它又是教學難點。

由于初中物理教材對液體壓強只進行定性探究，即教師在教學中先用U形壓強計對液體內(nèi)部的壓強進行實驗測試，再建構(gòu)液柱模型進行理論推導，得出液體壓強公式。為彌補以往實驗的不足，開展定量研究，有必要利用信息技術(shù)開發(fā)用于探究液體壓強特點的新型實驗系統(tǒng)，其具有很大的實用價值。

二、用數(shù)字化手段改進實驗，助力液體壓強規(guī)律探究

惠恩玲等認為液體的流動性與壓縮性是產(chǎn)生液體壓強的根本原因，揭示了液體壓強的物理本質(zhì)，是重要的理論依據(jù)。王素云使用臺秤對“液體壓強與液體重力的關(guān)系”“液體對容器底部壓力與自身重力的關(guān)系”等實驗進行數(shù)顯化探究，開始關(guān)注定量探究液體壓強特點的創(chuàng)新實驗。筆者在教學中，將氣體壓強傳感器系統(tǒng)與微型壓強計組合在一起，自制探究液體壓強特點的一系列數(shù)字化實驗裝置，以定量探究液體內(nèi)部壓強規(guī)律，增強實驗教學效果。

（一）創(chuàng)新實驗探究的可行性

根據(jù)壓強計的結(jié)構(gòu)特點，將蒙有橡皮膜的金屬盒（簡稱“探頭”）放入液體中，液體擠壓橡皮膜凹陷，跟盒相連的一側(cè)管中的密閉氣體體積被壓縮，氣體壓強增大，這是造成U形管兩側(cè)水面產(chǎn)生高度差的重要原因。筆者運用等效法與轉(zhuǎn)換法思想，用氣體壓強傳感器替換U形管，實現(xiàn)其與微型壓強計探頭的組合，利用自制的數(shù)字化演示裝置開展定量化探究實驗。

（二）探究液體內(nèi)部同一深度向各方向壓強的特點

1.探究液體內(nèi)部同一點向各個方向壓強的特點

準備實驗器材：氣體壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器、帶軟件的筆記本電腦、微型壓強計（除去U形管部分），圓柱形容器一個，帶底座的亞克力支架，染色水（目的是便于觀察），熱熔膠棒槍等。

組裝實驗裝置：先用膠棒槍的熱熔膠將氣體壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器固定在帶底座的亞克力支架上，用數(shù)據(jù)線將它們與筆記本電腦連接好備用，再將橡皮管的一端與微型壓強計的探頭相連，另一端與氣體壓強傳感器塑料管相連。

探究步驟：①打開電腦數(shù)字化軟件界面，點擊“校正”按鈕，在彈出的對話框中輸入“0”（排除大氣壓強值對實驗的干擾），說明此時橡皮膜受到的壓力為0。用手輕壓橡皮膜，電腦界面上顯示的壓強數(shù)值在增大，說明橡皮管內(nèi)的氣密性良好。②手持壓強計探頭上面的金屬桿，將探頭緩慢插入裝有染色水的容器中，用彈簧夾將金屬桿固定在容器側(cè)壁，輕輕轉(zhuǎn)動輪軸，使探頭繞固定軸上下、前后轉(zhuǎn)動（如圖1）。學生觀察電腦屏幕上壓強示數(shù)的變化情況。③改變探頭在容器中的深度，重復以上實驗，讀出實驗數(shù)據(jù)。學生交流討論，得出實驗結(jié)論：同種液體在同一深度，液體向上、向下、向前與向后的壓強都相等（掃碼看視頻）。

裝置的創(chuàng)新之處：葛興爍等教師運用手持式數(shù)字壓力傳感器與壓強計等簡易材料，定量地探究液體內(nèi)部的壓強規(guī)律，具有較大的研究價值，但是整個實驗無法排除大氣壓對實驗的影響^[1]。教師使用圖1所示實驗裝置，巧妙地使用氣體壓強傳感器等數(shù)字化器材，靈活使用軟件的“校正”功能，消除了大氣壓強對測量液體壓強的影響，實現(xiàn)了從觀察壓強計U形管中水面的高度差進行定性探究到用數(shù)字化手段測量液體壓強進行定量探究的轉(zhuǎn)變。

2.探究液體內(nèi)部同一深度處任意兩點壓強的特點

液體內(nèi)同一深度本質(zhì)上是一個平面模型，師生使用數(shù)字化壓強計只能探究這個液面上某一點的壓強，無法代表整個液面各點的壓強；同時由于金屬盒上的橡皮膜只能在繞固定軸方向上轉(zhuǎn)動一圈，因此只能間接證明液體內(nèi)同一深度沿著軸向的壓強都相等。至于該深度處其他方向的液體壓強是否也相等，沒有進行進一步驗證，存在思維漏洞。為此，筆者嘗試新的實驗。

準備實驗器材：氣體壓強傳感器兩個，數(shù)據(jù)采集器、帶軟件的筆記本電腦、微型壓強計探頭（可樂瓶蓋做的）兩枚，帶兩個圓孔的相互垂直的亞克力支架，長方體亞克力大容器、帶底座的亞克力支架、氣泡水平儀、熱熔膠棒槍、圓珠筆芯、剪刀各一件，橡皮膜、橡皮筋若干，水等。

組裝實驗裝置：①取來兩個相同的可樂瓶蓋，先用剪刀分別在中部打孔，分別插入短圓珠筆芯，再用熱熔膠密封孔隙；瓶蓋口用橡皮膜蒙上，用橡皮筋扎牢固，做成兩個壓強計探頭備用。②在亞克力支架的水平底板上，先將兩個壓強計探頭平行地固定在兩個孔內(nèi)（開孔器與可樂瓶蓋大小相等），再用熱熔膠將氣泡水平儀（兩個互相垂直的氣泡儀用于調(diào)節(jié)左右水平和前后水平）固定在底座中間，用橡皮管將兩探頭分別與各自的氣體壓強傳感器連接起來，做成同一水平面上雙探頭數(shù)字化壓強計。

探究步驟：①打開軟件界面，點擊“校正”按鈕，在彈出的對話框中輸入“0”，此時探頭受到的壓力為0，用手分別輕壓橡皮膜。電腦界面上顯示的壓強值在增大，說明橡膠管內(nèi)的氣密性均良好。②用手拿起亞克力手柄，將壓強計雙探頭慢慢插入長方體容器的水中，在探頭浸入過程中，保證氣泡水平儀中的兩氣泡均在各自液柱的中間位置。③通過電腦屏幕分別讀取各壓強計探頭處的壓強值，進行多次比較，得出實驗結(jié)論。學生交流討論，達成共識：同種液體同一深度，任意兩點的壓強相等。

裝置的創(chuàng)新之處：由于深度相同的某一液面本質(zhì)上是一個平面，平面是由無數(shù)個點組成的，借助自制帶有氣泡水平儀的雙探頭數(shù)字化壓強計進行探究，學生在對大量數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)“同種液體同一深度的液面上，任意兩點的液體壓強相等”。學生由此可以將液體中液面上某一點向各個方向的壓強相等的特點推廣到兩點、三點……更多點，依次推導出該液面上的所有點向各個方向的壓強相等的結(jié)論。

3.探究液體內(nèi)部同一深度各側(cè)面方向壓強的特點

準備實驗器材：小型柱狀銣磁體（強磁體）6枚，帶橡皮膜的探頭一個，橡皮管一根，亞克力管（外直徑5 cm，厚度0.2 cm，長度80 cm）一根，購買刻度尺紙貼（100 cm），紅絲帶、雙面膠帶各一卷，氣體壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器、帶軟件的筆記本電腦，熱熔膠棒槍，水等。

組裝實驗裝置：如圖2左所示，在帶橡皮膜的探頭的背面用熱熔膠棒槍粘上1枚柱狀銣磁體，找來一片方形亞克力塊放在亞克力管的正下方，用膠棒槍將其粘牢后再進行密封，做成柱狀容器；以亞克力管底部為0刻度線，將刻度尺紙貼豎直粘在亞克力管壁外側(cè)；向亞克力管中注滿水；將紅絲帶水平環(huán)繞柱狀容器的外壁一周（目的是做好標記），并用雙面膠固定好；組裝數(shù)字化傳感器系統(tǒng)；用橡皮管將探頭與氣體壓強傳感器連接備用。

探究步驟 ：①打開數(shù)字化演示裝置，并“校正”儀器，檢驗裝置的氣密性。②將帶有柱狀銣磁體2的探頭輕輕放入柱狀容器的水中，手拿柱狀銣磁體1（由5枚強磁體組成）在容器外壁逐漸靠近磁體2，使兩者隔著管壁相互吸引住對方。③用手緩慢地將柱狀銣磁體1沿管壁豎直向下拖動，在磁體的吸力下，探頭在水柱中也逐漸浸入容器中的液體深處，將柱狀銣磁體1停放在水平環(huán)繞柱狀容器外壁一周的紅絲帶處，如圖2右所示。④用手輕輕推動柱狀銣磁體1，沿著紅絲帶環(huán)繞的水平管壁面轉(zhuǎn)動一周，同時帶動粘有銣磁體2的探頭繞圓柱形管壁一周，讓學生觀察電腦屏幕上的壓強值是否發(fā)生變化。⑤重復實驗步驟④，記錄實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。學生交流討論，得出實驗結(jié)論：同種液體同一深度，液體向水平側(cè)面各個方向的壓強都相等。

裝置的創(chuàng)新之處：使用此數(shù)字化實驗裝置，能夠探究出液體內(nèi)部同一深度在水平面內(nèi)的液體向（水平四周方向）各方向的壓強也相等，彌補了以前壓強計探頭只能驗證繞固定軸方向（豎直面內(nèi)）向各個方向的壓強相等的思維漏洞，提高了學生的空間想象力，同時完善了實驗證據(jù)鏈，增強了實驗說服力，提升了實驗科學性。

（三）探究液體內(nèi)部壓強與深度的關(guān)系

1.實驗裝置結(jié)構(gòu)與實驗探究過程

在控制液體的種類不變時，為了探究液體內(nèi)部壓強與深度的關(guān)系，完全可以運用圖2所示的裝置展開探究活動。在“探究液體內(nèi)部同一深度所有點各個方向壓強的特點實驗”的基礎(chǔ)上，教師可以用手繼續(xù)緩慢地將柱狀銣磁體1沿管壁豎直向下拖動。受磁體引力作用，探頭在水柱中逐漸浸入容器中液體更深處，直到柱狀容器的底部。教師讓學生觀察并記錄液體（水）壓強示數(shù)（見表1）。學生重復以上實驗，分析壓強大小的變化特點，得出實驗結(jié)論。

學生交流討論，達成共識：液體壓強隨著深度增加而增大。

2.裝置的創(chuàng)新之處

數(shù)字化傳感器探究實驗裝置的應(yīng)用有利于學生測量壓強計的探頭浸入液體中的深度值與對應(yīng)的壓強值，展開具體的數(shù)據(jù)分析，最終得出液體的壓強與液體的深度成正比的科學結(jié)論。實驗數(shù)據(jù)充分，實驗精準度高，實驗現(xiàn)象明顯。學生在探究活動過程中增強了交流合作意識。

（四）探究液體壓強與液體密度的關(guān)系

1.實驗裝置結(jié)構(gòu)與實驗探究過程

在控制其他因素不變時，為了探究液體內(nèi)部壓強與密度的關(guān)系，可以使用圖2所示的實驗裝置開展實驗活動。打開數(shù)字化實驗系統(tǒng)后，檢驗探頭與橡皮管密閉性。先在圓柱形容器中倒?jié)M酒精，手持柱狀銣磁體1將粘有銣磁體2的壓強計探頭拖至圓柱形容器50 cm深處，讀出此時的壓強值為3.6 kPa；再將圓柱形容器中的酒精換成染色水，仍然使壓強計探頭放在圓柱形容器50 cm深處，讀出此時的壓強值為4.4 kPa；最后將染色水換成鹽水與醬油，重復以上實驗，記錄數(shù)據(jù)，交流討論。學生發(fā)現(xiàn)液體內(nèi)部的壓強與液體的密度有關(guān)，液體密度越大，壓強也越大。

2.裝置的創(chuàng)新之處

數(shù)字化創(chuàng)新實驗裝置取代傳統(tǒng)的U形壓強計后，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的數(shù)顯化，大幅提高了實驗效率。教師可以將電腦與多媒體連接，讓全班學生都可以看到，實現(xiàn)實驗的可視化，能獲得“高見度、見效快、強視角”的教學效果。

三、驗證液體壓強公式

以上實驗裝置雖然實現(xiàn)了數(shù)顯的特征，能夠顯示液體壓強的重要特征，但是電腦顯示器上的壓強值并非液體中該點真正的壓強。那么，如何利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)直接測量液體某深度處壓強呢？液體內(nèi)部某處壓強可以用公式p=ρgh來計算。由此，實驗主題可轉(zhuǎn)化為：設(shè)計數(shù)字化創(chuàng)新實驗來驗證液體壓強公式的科學性。

（一）實驗裝置的設(shè)計與組裝

準備實驗器材：亞克力管（外直徑4 cm，厚0.2 cm，長約80 cm）一根，細玻璃管（長約15 cm），木工板（100 cm×20 cm×2 cm），鐵架臺，手電鉆各一件，氣體壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器、帶軟件的筆記本電腦，購買刻度尺貼紙（0～100 cm），飲料瓶蓋、塑料卡扣各一枚，長螺絲數(shù)枚，橡膠管（長約80 cm）一根，熱熔膠棒槍、剪刀各一件，染色水等。

組裝實驗裝置：①組裝容器，先用手電鉆在飲料瓶蓋中央位置打孔，在孔中插入玻璃管，以剛露出管口為宜，再將瓶蓋扣在亞克力管的一端，用膠棒槍密封縫隙（如圖3a），最后用膠水將刻度尺貼紙以玻璃管底部為起點，豎直地貼在亞克力管外壁備用。②在支架上固定容器，先取來長木工板，用手電鉆在下端打孔，用螺絲將木工板豎直地固定在鐵架臺上，再將亞克力管緊貼木工板，上端用塑料卡扣夾緊，下端用一根支撐螺絲托起，豎直地固定在板面上作為容器，最后取一張刻度尺貼紙沿著飲料瓶口下端的玻璃管，豎直向下貼好（如圖3b）。③組裝數(shù)字化系統(tǒng)，如圖3c所示，連接數(shù)字化傳感器，用橡皮管將玻璃管下端與氣壓傳感器連接好，檢驗橡皮管的氣密性。至此，整個裝置組裝完畢（如圖3d）。

（二）對氣體壓強傳感器的測量值校正過程

根據(jù)液體壓強公式p=ρgh可知，往容器中注水，當水柱深為10 cm與20 cm時，水柱產(chǎn)生的液體壓強應(yīng)該為1.0 kPa與2.0 kPa。為了直接測量容器底部的液體壓強，筆者創(chuàng)造性地去掉壓強計探頭的橡皮膜，使液體直接擠壓橡皮管內(nèi)空氣，保證橡皮管中的氣壓就是液柱產(chǎn)生液體壓強，且氣體壓強隨著液柱深度的增加而增大。因此，在正式實驗之前，對儀器必須進行簡單的校正。例如，改變傳感器與玻璃管之間橡皮管的長度，可以改變橡皮管中空氣的體積，最終實現(xiàn)橡皮管中的氣壓值等于水柱產(chǎn)生壓強。

（三）實驗探究過程與數(shù)據(jù)的采集處理

操作步驟：①打開數(shù)字化演示裝置，向已校正的容器中輕輕注入染色的水。②隨著容器中的水柱高度增加，水柱壓縮橡皮管中的空氣。當達到一定深度時，染色水進入容器底部的玻璃管中，此時水柱的深度應(yīng)該是容器中水的深度加上玻璃管中水的深度（由于液體的壓強與深度有關(guān)，與容器的粗細無關(guān)）。③多做幾次實驗，填寫實驗數(shù)據(jù)并分析，得出實驗結(jié)論。

（四）驗證液體壓強公式的科學性

筆者自制教具，引導學生參與數(shù)字化創(chuàng)新實驗的探究活動，成功地驗證了液體壓強公式p=ρgh的科學性，打破了過去教師只是實施理論層面公式推導的“教”公式，學生只能按部就班地“用”公式解計算題的魔咒。

隨著信息技術(shù)手段的更新迭代，物理創(chuàng)新實驗的內(nèi)容會更加豐富。將先進的信息技術(shù)融入物理創(chuàng)新實驗作品中，可以激發(fā)學生的學習動力，調(diào)動學生思維積極性，這是實驗課堂教學成功的關(guān)鍵。筆者將氣體壓強傳感器等數(shù)字化實驗儀器與探究液體壓強特點的傳統(tǒng)實驗深度融合，自制一系列創(chuàng)新實驗教具，實現(xiàn)定量化探究液體壓強特點，驗證了液體壓強公式的科學性，同時打破了使用U形壓強計只能定性地探究液體壓強的特點的藩籬，改變了實驗儀器單一、演示過程簡單、實驗操作煩瑣、實驗現(xiàn)象難以觀察的窘態(tài)。上述數(shù)字化創(chuàng)新實驗的開發(fā)應(yīng)用，大幅提高了物理實驗教學的價值與效能。

注：本文系廣東省“十三五”教育科學研究2019年項目一般課題“中學生創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展路徑與實踐模式研究”（批準號：2019YQJK400）、安徽省教育信息技術(shù)研究2021年度立項課題“TPACK理論框架下初中物理創(chuàng)新實驗教學的行動研究”（項目編號：AH2021026）、安徽省教育科學研究項目課題“基于深度學習的初中物理教學實踐研究”（編號：JK20057）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 葛興爍，李強，紀登輝.定性定量探究液體內(nèi)部壓強的實驗裝置[J].物理通報，2023（1）：109-111.

（作者莊中木系廣東省湛江經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)民安中學高級教師；劉信生系安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學高級教師；林軍系安徽省合肥市包河區(qū)教育體育局教研室教研員）

責任編輯：祝元志