從特制的“鋼鎧甲”說起

從古至今，人類一直想探索深海奧秘，直到1960年，科學家才駕駛深海潛水器到達了馬里亞納海溝10916m深的“挑戰者深淵”，這種深海潛水器是用12cm厚的特種鋼板加工而成的。

提出問題，猜想與假設

小楠提出疑問：“為什么潛水器要用這種特制的‘鋼鎧甲’呢？”小凱說道：“要解釋這個問題，我們應該先探究一下影響液體壓強的因素，”小楠說：“液體壓強與什么因素有關呢？”小艾想了想說：“潛水器受到的壓強是由液體所受的重力產生的，水所受的重力豎直向下，則潛水器可能只受到豎直向下的壓強。潛水器潛得越深，它上面的水越多。液體產生的壓強可能越大，則液體壓強可能與液體的深度有關，”小楠接著說：“按你的說法。由于液體的密度不同，其產生的重力也不同。故產生的壓強也應不同。我想液體壓強還可能與液體的密度有關?！毙P說：“我們還是通過實驗來驗證你們的猜想吧?！?/p>

一向性急的小楠這次可犯了難，問道：“怎么才能測出液體的壓強呢？”小艾想了想說：“壓強是表示壓力作用效果的物理量。我們可以讓液體壓橡皮膜，通過橡皮膜的形變程度來顯示液體壓強的大小?！比艘黄饋淼綄嶒炇摇Ｕ页隽巳鐖D1甲所示的玻璃管。在圖1甲中的玻璃管的下端和側壁開口處扎上橡皮膜，再往玻璃管內倒入適量的水：將另一個玻璃管扎上橡皮膜的—端向下插入水中（如圖1乙）。小楠看到現象后立刻說：“圖1甲中下端和側壁的橡皮膜都向外凸起，說明液體向下和側面都有壓強；圖1乙中橡皮膜向上凸起。說明液體向上也有壓強。由此說明液體向各個方向都有壓強。”小艾若有所思地說：“這個實驗能夠說明液體向各個方向都有壓強，但我們還需要比較液體壓強的大小，能否測出液體壓強的大小呢？”正在三人犯難的時候，老師拿著圖2所示的儀器緩緩走過來說：“這個儀器叫U形管壓強計（也叫微小壓強計），是用來研究液體壓強的儀器。往兩端開口的U形管中裝入一定量的水（或其他液體），在U形管的一端連上一根帶有探頭的膠皮管，探頭是由空金屬盒蒙上橡皮膜構成的。將壓強計的探頭放入液體中。觀察U形管兩側液面出現的高度差，高度差越大，說明液體內部壓強越大?！?/p>

設計并進行實驗

聽完老師的指點，三位同學立刻利用U形管壓強計、燒杯、水、食鹽等實驗器材，設計并進行了如下實驗：

實驗1：如下頁圖3a所示，在燒杯中裝入一定量的水，將探頭橡皮膜朝下放在水中5cm深處，觀察U形管左右兩側液面高度差的變化情況，把數據記錄在下頁表1中。

實驗2：如圖3b所示，保持探頭在水中的深度不變。將探頭橡皮膜朝向側面放置，觀察U形管左右兩側液面高度差的變化情況，把數據記錄在表1中。

實驗3：如圖3c所示，保持探頭在水中的深度不變，將探頭橡皮膜朝上放置，觀察U形管左右兩側液面高度差的變化情況，把數據記錄在表1中。

實驗4：如圖3d所示，保持探頭橡皮膜朝下，將探頭放在水中3cm深處，觀察U形管左右兩側液面高度差的變化情況，把數據記錄在表1中。

實驗5：如圖3e所示，在燒杯中加入一定量的食鹽并使其溶解，將探頭橡皮膜朝下放在液體中5cm深處，觀察U形管左右兩側液面高度差的變化情況，把數據記錄在表1中。

分析與論證，交流與合作

實驗剛結束，小楠立刻總結出結論：“由于實驗1、2、3中液體的種類和探頭浸入液體的深度都相同，橡皮膜朝向不同，但U形管左右兩側液面高度差相同，說明探頭所在位置液體壓強相等，液體壓強與橡皮膜的朝向無關；由于實驗1、4中液體的種類和橡皮膜的朝向都相同，但探頭浸入液體深度不同，且深度變小，U形管左右兩側液面高度差也變小，說明液體壓強與深度有關，深度越淺，壓強越?。河捎趯嶒?、5中探頭浸入液體深度和橡皮膜朝向都相同，但液體的密度不同，U形管左右兩側液面高度差也不同，說明液體的壓強還與液體的密度有關?！毙“托P都同意小楠的分析，小凱接著又說：“由于液體壓強受液體深度和密度兩個因素的影響，敘述結論時要注意控制變量，此實驗的結論可以規范表述為——液體內部朝各個方向都有壓強，同種液體（密度相同），同一深度，液體向各個方向的壓強都相等：同種液體（或密度相同的液體）內部，壓強與深度有關，深度越深，壓強越大：液體的壓強還與液體的密度有關，在深度相同時，液體密度越大，壓強越大?！?/p>

小艾接著提出了一個疑問：“為什么通過U形管左右兩側液面高度差的大小就能比較出探頭所在位置液體壓強的大小呢？”小凱想了想解釋道：“當有力作用在探頭橡皮膜上時，縮小了橡皮膜內密封的空氣的體積，氣壓變大，使U形管左右兩側液柱左低右高，作用在橡皮膜上的壓強越大，橡皮膜發生形變的程度越大，使氣壓變得越大，U形管左右兩側液面的高度差也越大，”小楠緊接著又發問了：“實驗成功的前提是保證蒙在探頭上的橡皮膜、連接用的膠皮管及各接口處都不漏氣。那怎么檢查裝置的氣密性呢？”小凱繼續解釋道：“檢查的方法是用一恒定的力輕壓橡皮膜一段時間，看U形管左右兩側液面的高度差是否發生變化，若不變化，說明不漏氣：若變化，說明裝置漏氣，要查明原因，進行修理。同時注意，實驗前要保證U形管左右兩側液面相平，若不平，需要拆下膠皮管重新連接。”