變式訓(xùn)練 拓寬思維

陳健平

“探究液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中新增加的一個(gè)探究類學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。2024年遼寧省初中學(xué)業(yè)水平考試物理樣卷第20題也對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了考查。

原題再現(xiàn)

小明要探究“液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與哪些因素有關(guān)”，所用的實(shí)驗(yàn)器材有：壓強(qiáng)計(jì)、大燒杯、刻度尺、足量的水、酒精和濃糖水。

（1）小明同學(xué)根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自己游泳時(shí)潛入水中的位置越深，感覺(jué)受到水的壓力越大。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)可以作為液體壓強(qiáng)的大小與__________有關(guān)的猜想依據(jù)。同時(shí)他還提出了液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小可能與液體的密度等因素有關(guān)。

（2）實(shí)驗(yàn)前，用手多次輕壓探頭的橡皮膜，發(fā)現(xiàn)U形管內(nèi)液面的高度均發(fā)生明顯變化，說(shuō)明該壓強(qiáng)計(jì)__________。

（3）小明將探頭放在水中某一深度，只改變探頭的方向，如圖1所示。可以得出：液體內(nèi)部向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)，在同一深度，向各個(gè)方向的壓強(qiáng)__________。

（4）小明又連續(xù)增加探頭在水中的深度，發(fā)現(xiàn)U形管中液面高度差逐漸增大。

①他得出：液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與液體深度有關(guān)。

②進(jìn)一步分析還可以得出：液體的密度相同，深度越深，液體內(nèi)部壓強(qiáng)__________。

（5）小明繼續(xù)探究“液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與液體密度是否有關(guān)”，他按自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，收集的信息和數(shù)據(jù)如下表。（ ρ酒精 < ρ水 < ρ濃糖水）

[實(shí)驗(yàn)次數(shù) 液體種類 探頭在液體中的深度 h/cm U形管兩側(cè)液面的高度差[Δ]h/cm 液體壓強(qiáng)的大小 1 酒精 7.5 5.6 相等 2 水 6.0 5.6 3 濃糖水 4.8 5.6 ]

根據(jù)表中的信息和數(shù)據(jù)，并結(jié)合（4）中②的結(jié)論，小明得出：液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與液體密度有關(guān)。請(qǐng)簡(jiǎn)述他分析實(shí)驗(yàn)信息、進(jìn)行科學(xué)論證的過(guò)程：____。

破解策略

（1）根據(jù)小明游泳時(shí)潛入水中的位置越深，感覺(jué)受到水的壓力越大，分析出液體內(nèi)部壓強(qiáng)變大，進(jìn)而判斷出液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與深度有關(guān)，因此這個(gè)經(jīng)驗(yàn)可以作為液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與深度有關(guān)的猜想依據(jù)。

（2）用手多次輕壓探頭的橡皮膜，發(fā)現(xiàn)U形管內(nèi)液面的高度均發(fā)生明顯變化，這說(shuō)明該壓強(qiáng)計(jì)不漏氣，氣密性好。

（3）在同種液體中，當(dāng)探頭所在的深度相同時(shí)，只改變探頭的方向，由圖1可知U形管左右兩側(cè)液面的高度差不變，這表明：同種液體，在同一深度，液體向各個(gè)方向的壓強(qiáng)相等。

（4）連續(xù)增加探頭在水中的深度，發(fā)現(xiàn)U形管中液面高度差逐漸增大，這說(shuō)明液體的密度相同，深度越深，液體內(nèi)部壓強(qiáng)越大。

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明探頭在酒精、水、濃糖水中的深度不同，U形管兩側(cè)液面的高度差相同，其中濃糖水的密度最大，探頭所處的深度最小，但受到的壓強(qiáng)和在酒精、水中受到的壓強(qiáng)相等。根據(jù)（4）中②的結(jié)論“液體的密度相同，深度越深，液體內(nèi)部壓強(qiáng)越大”，推理可知：若探頭在濃糖水中所處的深度與在酒精中或水中所處深度相同，則探頭在濃糖水中時(shí)U形管兩側(cè)液面的高度差會(huì)大于在酒精中或者在水中的高度差，從而知道探頭在酒精、水、濃糖水中相同深度處，在濃糖水中受到的壓強(qiáng)最大，由此得出：液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與液體密度有關(guān)，在深度相同時(shí)，液體密度越大，液體內(nèi)部壓強(qiáng)越大。

答案：（1）深度 （2）不漏氣（或氣密性好） （3）相等 （4）越大 （5）濃糖水的密度最大，探頭所處的深度最小，但受到的壓強(qiáng)和在酒精、水中受到的壓強(qiáng)相等，根據(jù)（4）中②的結(jié)論推理可知：若探頭所處的深度相同，則探頭在濃糖水中時(shí)U形管兩側(cè)液面的高度差最大，濃糖水產(chǎn)生的壓強(qiáng)最大，由此得出：液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與液體密度有關(guān)，在深度相同時(shí)，液體密度越大，液體內(nèi)部壓強(qiáng)越大

拓展延伸

小聰同學(xué)利用U形管壓強(qiáng)計(jì)探究“液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”，具體操作如圖2所示：

（1）在選擇U形管壓強(qiáng)計(jì)時(shí)，探頭上的橡皮膜應(yīng)該用__________（選填“薄”或“厚”）一些的較好。安裝后，小聰發(fā)現(xiàn)U形管內(nèi)液面左低右高如圖甲所示，為使U形管左右兩側(cè)液面相平，接下來(lái)的操作是__________。（選填正確答案前字母）

A.搖晃U形管 B.拆除軟管重新安裝

C.按壓橡皮膜 D.將右側(cè)管中高出的紅墨水倒出

（2）調(diào)整好裝置后，小聰將探頭放入水中，并逐漸增大探頭在水中的深度，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖乙、丙所示，這說(shuō)明____。

（3）為探究液體壓強(qiáng)與液體密度的關(guān)系，小聰又完成了圖丁所示實(shí)驗(yàn)，對(duì)比丙、丁兩次實(shí)驗(yàn)得出：深度相同時(shí)，液體密度越大，液體內(nèi)部壓強(qiáng)越大。同時(shí)小聰還發(fā)現(xiàn)兩次U形管兩側(cè)水面高度差對(duì)比不明顯，為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，下列操作可行的是__________。（多選，選填正確答案前字母）

A.將圖丁中探頭下移

B.丁燒杯中換用密度更大的液體

C.將U形管中的水換成密度更小的酒精

（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小聰發(fā)現(xiàn)即使探頭不受液體壓強(qiáng)，U形管左右兩側(cè)液面也經(jīng)常不相平，為了解決這個(gè)問(wèn)題，小聰在老師的幫助下對(duì)壓強(qiáng)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)（如圖3），在軟管與U形管的交接處連入了一個(gè)三通管K，可以通過(guò)控制K的打開和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)與外界大氣的通和斷，若壓強(qiáng)計(jì)在使用前出現(xiàn)如圖甲中的情形，只需__________（選填“打開”或“關(guān)閉”）三通管K即可解決問(wèn)題。

（5）請(qǐng)你根據(jù)（2）、（3）中得出的結(jié)論幫助小聰回答下列問(wèn)題：保持圖丁中探頭的位置不變，并將一杯清水倒入燒杯中攪勻后（液體未溢出），U形管兩側(cè)的液面的高度差_________（選填“變大”“變小”或“不變”）。

（6）課后小聰同學(xué)推導(dǎo)出了液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式，又利用U形管壓強(qiáng)計(jì)改裝成如圖4所示的測(cè)量某種未知液體的密度的密度計(jì)。A為固定支架，其作用是保證橡皮膜在不同的液體中深度均為5 cm。U形管盛水，其右管標(biāo)有刻度值，為了便于讀數(shù)，在U形管右管中有一個(gè)指示液面位置的紅色浮標(biāo)。未測(cè)量時(shí)，U形管水面剛好與a相平。當(dāng)橡皮膜放入某液體中時(shí)，浮標(biāo)指示在b處，小寧利用刻度尺測(cè)出a、b之間的距離為2.0 cm，則該液體的密度為__________g/cm3。

答案：（1）薄；B （2）同種液體的壓強(qiáng)隨液體深度增加而增大 （3）BC （4）打開 （5）變大 （6）0.8

（作者單位：錦州市實(shí)驗(yàn)學(xué)校）