利用壓差表改進液體壓強實驗的實踐和思考

摘 要：利用壓差表結(jié)合傳統(tǒng)實驗裝置改進液體壓強實驗，針對原先實驗中存在的可視性不強、誤差較大等問題，可以從理論研究入手，找到誤差產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)措施來減小誤差。對現(xiàn)有實驗器材和實驗方法進行改進，可以使實驗數(shù)據(jù)更加準確，便于利用實驗數(shù)據(jù)對液體壓強進行定量分析。本文根據(jù)該實驗的實踐情況探索出了在初中物理教學(xué)中開展DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）數(shù)字實驗的有效策略。

關(guān)鍵詞：壓差表；液體壓強；實踐和思考

《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》指出：“教師應(yīng)依據(jù)學(xué)生發(fā)展階段、教學(xué)內(nèi)容特點、教學(xué)資源等的情況，靈活選用教學(xué)方式，促進教學(xué)目標的有效達成?！保?］在初中物理實驗教學(xué)中，教師應(yīng)充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，合理運用教學(xué)設(shè)備，發(fā)揮實驗的育人功能，達成提高教學(xué)效率、養(yǎng)成學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標。

在現(xiàn)階段，將傳感器技術(shù)應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué)已經(jīng)取得了一定的成效。例如，利用DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）數(shù)字實驗設(shè)備可以實時、連續(xù)地采集數(shù)據(jù)，這使學(xué)生能夠從傳統(tǒng)的定性分析升級到更精確的定量分析。通過將一些不易觀察的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可分析和可見的數(shù)據(jù)，學(xué)生可以更深入地理解并建立正確的物理觀念。同時，傳感器還可以捕捉和處理暫態(tài)現(xiàn)象，幫助學(xué)生對物理現(xiàn)象以及物理過程形成正確和完整的認識。本文就利用數(shù)字壓差表改進“研究液體內(nèi)部的壓強”實驗，談?wù)勗诶脗鞲衅鲗嶒炦M行實驗教學(xué)方式改革和創(chuàng)新實踐過程中的收獲和思考。

1 問題提出“研究液體內(nèi)部的壓強”實驗是人教版物理八年級下冊第九章第2節(jié)的一個演示實驗。教材采用如圖1所示的實驗裝置（微小壓強計）進行實驗。［2］將蒙有橡皮膜的探頭伸入液體中，探頭通過乳膠管與U形管一端相連，我們可以通過觀察U形管左右兩液面高度差知道探頭所受壓強的大小。

在教學(xué)實踐中，我們認為該實驗可以進行改進（如表1所示）。

2 定性實驗的改進和優(yōu)化

2.1 可操作性改進和優(yōu)化

在物理實驗中引入DIS的優(yōu)化設(shè)計思路為我們的改進和優(yōu)化提供了方向。［3］數(shù)顯壓差表和微小壓強計的工作原理相似，其安裝簡單，操作方便，且能夠準確讀出壓強值。將數(shù)顯壓差表及固定裝置和旋轉(zhuǎn)探頭用乳膠管連接起來（如圖2所示），可以按照課本上的實驗步驟探究液體壓強與深度、液體密度、方向的關(guān)系，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)如表2所示，還可以探究液體壓強與液體質(zhì)量、容器形狀的關(guān)系。

2.2 可視性的改進和優(yōu)化

在教學(xué)實驗中，無論是傳統(tǒng)的微小壓強計還是數(shù)顯壓差表都存在可視性較差的情況。為了發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的作用，教師可根據(jù)學(xué)校實際情況開展實驗。因滿足實驗要求的普通數(shù)顯壓差表價格在一百多元左右，學(xué)校實驗室物理器材如果能滿足學(xué)生分組實驗要求，可購置相應(yīng)組數(shù)的壓差表，讓學(xué)生進行分組實驗。如學(xué)校實驗器材只能進行演示實驗，可借助多媒體設(shè)備和手機實時投屏，將實驗操作和數(shù)據(jù)圖像實時共享到一體機上。

3 定量實驗的改進和優(yōu)化

3.1 實驗誤差分析

對表2中的實驗數(shù)據(jù)進行分析，我們發(fā)現(xiàn)本實驗借助壓差表采集到的數(shù)據(jù)還是有一定的誤差（如表3常規(guī)部分所示）。

為了找到誤差產(chǎn)生的原因，首先要弄清楚壓差表測量液體壓強的工作原理。由圖2可知，探頭處受到大氣壓強、液體壓強和橡皮膜發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的壓強，這三個壓強通過乳膠管中封閉的空氣大小不變地傳給壓差表正導(dǎo)氣口，壓差表負導(dǎo)氣口受到的是大氣壓強，則壓差表顯示的是正、負導(dǎo)氣口的壓強差，也就是液體壓強和附加壓強之和。壓差表測量液體壓強時的誤差大小取決于附加壓強的大小。球形液面內(nèi)外的壓強差可以用p＝2αR計算，其中α為表面張力系數(shù)，R為球形液面半徑，液面為凹液面時，上述壓強為負值。［4］由此可見，使用常規(guī)微小壓強計或者使用壓差表利用帶橡皮膜的探頭測量液體壓強時，由于橡皮膜彈性形變會產(chǎn)生附加壓強，實驗會存在誤差。這個實驗誤差大小與液體表面張力系數(shù)和橡皮膜凹陷程度有關(guān)，在液體表面張力一定時，液體深度越深，橡皮膜彈性形變程度越大，球面半徑越大，附加壓強越小，實驗誤差就越小。從表3的數(shù)據(jù)，我們可以驗證該推理。所以只要想辦法減小表面張力系數(shù)、增大橡皮膜的彈性形變程度，就可以減小這個附加壓強，從而減小實驗的誤差。

3.2 減小實驗誤差的研究

有學(xué)者在對阿基米德原理實驗的誤差分析和實驗改進中選擇加入活性劑來減小液體表面張力，達到減小實驗誤差的效果。［5］在本實驗中，我們選擇用洗發(fā)精來減小表面張力。為減小洗發(fā)精的泡沫對實驗的影響，將洗發(fā)精逐次滴入玻璃水槽的水中后，需要用玻璃棒輕輕攪動。多次實驗得到如表3所示的改進前后對比實驗數(shù)據(jù)。

從表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：通過實驗的改進，實驗誤差大大減小了。數(shù)據(jù)中增加值也驗證了隨著深度增加，橡皮膜形變量增加，附加壓強在不斷減小。

3.3 實驗的再優(yōu)化

為進一步減小誤差，測量出更為準確的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)揮探究實驗的作用，便于學(xué)生對液體壓強進行定量分析，并為推導(dǎo)出液體壓強公式p＝ρgh提供實驗證據(jù)支撐，我們結(jié)合陳怡、田川、董彥等人的實踐，對實驗器材及操作做了如下改進和優(yōu)化。［6］

3.3.1 保留探頭但去掉橡皮膜

由于實驗誤差主要是橡皮膜發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的附加壓強，我們試著直接將乳膠管伸入玻璃水槽中的液體中，從壓差表上收集的數(shù)據(jù)如表4所示。

從上面的數(shù)據(jù)我們看到實驗結(jié)果接近且略大于理論值。這說明去掉橡皮膜可以不受附加壓強的影響，使實驗趨于科學(xué)合理。但是直接將乳膠管伸入液體中不便于讀出乳膠管的深度且不容易固定，同時手的抖動也會使數(shù)據(jù)有波動，最后我們將固定裝置和旋轉(zhuǎn)探頭與數(shù)顯壓差表用乳膠管連接起來，并且去掉探頭上的橡皮膜進行進一步實驗。

3.3.2 探頭垂直伸入水中

經(jīng)過實踐和分析，我們發(fā)現(xiàn)將探頭向下平行于水面伸入水中時，探頭內(nèi)的空氣會受壓形成空氣膜，對實驗產(chǎn)生影響。另外，將探頭向上平行于水面伸入水中時，進入水面瞬間乳膠管中有空氣逸出，也會對實驗產(chǎn)生影響。因此，我們先在水中滴入洗發(fā)精并緩慢攪拌，確保不起泡，然后將探頭垂直緩慢伸入水中，讓水逐漸充滿探頭。

3.3.3 對探頭進行改裝

由于探究同一深度液體向各個方向的壓強關(guān)系時，探頭的轉(zhuǎn)動是以蒙橡皮膜處為軸。而現(xiàn)在去掉橡皮膜后，探究的是探頭接口處液體壓強，所以轉(zhuǎn)動探頭時，接口處深度發(fā)生了變化，壓差表測得的數(shù)據(jù)差距較大。為了解決這個問題，我們將探頭接口處和蒙橡皮膜處的塑料都切割下來，再將探頭接口處用膠粘接在蒙橡皮膜處，確保探頭轉(zhuǎn)動時，探究的是同一深度液體的壓強。經(jīng)過我們多次實驗，采集到如表5所示的數(shù)據(jù)。

利用表5的實驗數(shù)據(jù)，教師可以指導(dǎo)學(xué)生使用坐標紙畫出三種液體的壓強隨深度變化的圖像，引導(dǎo)學(xué)生分析出：①同種液體的壓強與深度成正比，例如水的壓強與深度的比值約為9873N/m3；②不同種類的液體在同一深度的壓強與液體的密度成正比。上述探究可為下一步建立液柱模型分析液體壓強計算公式提供實驗數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語通過本次實驗改進和優(yōu)化，我們找到了初中物理開展DIS數(shù)字實驗的策略。

利用現(xiàn)有實驗器材，教師通過找到傳統(tǒng)實驗與DIS數(shù)字實驗的結(jié)合點，對實驗進行了創(chuàng)新性改進?，F(xiàn)行人教版初中物理教材經(jīng)過多年教學(xué)實踐檢驗，是一套適合我國初中物理教學(xué)實際的成熟教材。教材編排體系符合學(xué)生認知發(fā)展的規(guī)律，多數(shù)教師也適應(yīng)教材中實驗教學(xué)的設(shè)計思路。教師開展DIS數(shù)字實驗教學(xué)不能排斥現(xiàn)有實驗，應(yīng)基于現(xiàn)有教材的實驗設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)有的實驗器材，進行創(chuàng)新性改進，讓實驗為教書育人服務(wù)，真正發(fā)揮其作用。

結(jié)合學(xué)生的知識水平，教師充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，探索DIS數(shù)字實驗資源的研發(fā)是非常重要的。現(xiàn)有的DIS數(shù)字實驗設(shè)備主要分為專業(yè)數(shù)字探究實驗設(shè)施和生活數(shù)顯儀器儀表兩類。教師在選擇DIS數(shù)字實驗器材時，應(yīng)考慮到學(xué)生的認知水平，以確保實驗資源的開發(fā)和使用能夠與學(xué)生的實際能力相匹配。在初中階段，特別是對于八年級初中物理，教師要多運用數(shù)顯式儀器儀表開展DIS數(shù)字實驗教學(xué)。例如，數(shù)顯式測力計、溫度濕度計等可以幫助學(xué)生建立感性認識，尋找定性的物理規(guī)律。對于九年級初中物理，教師可以嘗試運用專業(yè)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和專業(yè)處理軟件開展教學(xué)。例如，Origin軟件等可以幫助學(xué)生開展定量的研究，培養(yǎng)理性思維。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部. 義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：42．

［2］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書 物理 八年級下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：33-38.

［3］尹玉婷. 基于DIS的初中物理實驗優(yōu)化設(shè)計研究［D］. 上海：上海師范大學(xué)，2022：1-85.

［4］周繼芳. 彎曲液面的附加壓強［J］. 西昌師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2002（3）：83-85．

［5］尹玉婷，郭長江. 阿基米德實驗的誤差分析與實驗改進［J］. 中學(xué)物理，2021，39（12）：20-23．

［6］陳怡，田川，董彥. 利用數(shù)字實驗凸顯科學(xué)本質(zhì)——自制定量液體壓強計［J］. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（17）：49-51．