初中物理液體壓強問題的求解策略

摘 要：液體壓強在義務教育課程標準中占有重要位置，是學生必須達到理解層次的四個知識點之一，凸顯其在初中物理教學中的核心地位.這一概念不僅是理解液體靜力學的基礎，也是掌握后續(xù)物理問題的關(guān)鍵.文章從液體壓強計算問題、連通器問題和實驗探究問題三個方面入手，結(jié)合實例，對初中物理液體壓強部分進行了分析，以期幫助學生在實踐中鞏固理論知識，提升解題能力.

關(guān)鍵詞：初中物理；液體；壓強

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）23-0100-03

收稿日期：2024-05-15

作者簡介：楊軍平（1979.3—），男，甘肅省秦安人，本科，中學一級教師，從事物理實驗研究.

對歷屆中考物理試題進行分析，發(fā)現(xiàn)力學部分占有較高的分值 ［1］.這一現(xiàn)象不僅揭示了力學在中考物理考試中的重要性，也反映了液體壓強這一力學分支在初中物理教育中的核心地位.盡管液體壓強的相關(guān)知識對于培養(yǎng)學生的邏輯思維和問題解決能力具有重要作用，但在實際的學習過程中，這部分卻經(jīng)常成為學生面臨的一大挑戰(zhàn).當前的教材往往更多地側(cè)重于概念的講解和公式的推導，缺乏對液體壓強現(xiàn)象的直觀展示和實驗操作的指導.這種情況使得學生難以通過直觀的感受來理解液體壓強的概念和原理，從而影響了他們對知識的深入理解和應用.因此，文章針對液體壓強問題進行討論，幫助學生提高解題能力.

1 液體壓強計算問題

求解液體壓強，有兩個常用公式，一是P=FS，其中F代表壓力，單位為N，S代表底面積，該式具有普適性，固體、液體和氣體的壓強均可用該式進行計算；二是液體壓強公式P=pgh進行求解［2］.對兩個公式要有以下幾點認知：一是液體的壓強只與ρ和h有關(guān)，和液體的質(zhì)量、體積、容器的形狀、橫截面積均無關(guān)系；二是液體對容器底部的壓力通常和液體的重力不相等，只有規(guī)則的柱狀容器，如正方體、長方體和圓柱等放在水平面上，兩者才是相等的.解決該類題的步驟為：首先仔細分析題目，確定研究對象；然后根據(jù)研究對象，確定液體壓強、液體的密度、橫截面積等物理量的具體數(shù)值；最后根據(jù)題意，靈活選取公式進行計算，計算過程中要注意單位的換算.

例1 如圖1所示，有一平底玻璃杯，放在面積為1 m2的水平桌面上，玻璃杯內(nèi)盛裝有150 g的水，已知杯子和桌面的接觸面積是10 cm2（g=10 N/kg，ρ水=1.0×103 kg/m3）.

（1）求距離容器底部3 cm的A點位置處受到的水的壓強；

（2）求水對杯底的壓力.

思路分析 （1）問中研究對象為規(guī)則容器中的A點，要解決的問題是A點處受到的液體壓強.A點距離水面的深度hA=12 cm-3 cm=9 cm=0.09 m，液體的密度ρ水=1.0×103 kg/m3.因此，距容器底部3 cm的A點受到的水的壓強ρA=ρ水ghA=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.09 m=900 Pa.（2）問中需要求解的問題是杯子底部受到的液體的壓力.分兩步進行，先求出所受到的壓強，然后根據(jù)P=FS求壓力.杯內(nèi)水的深度h=12 cm=0.12 m，水對杯底的壓強ρA=ρ水ghA=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.12 m=1 200 Pa.根據(jù)P=FS可得，水對杯底的壓力F=pS=1 200 Pa×10×10-4m2=1.2 N.

2 連通器問題

連通器是液體壓強的實際應用，可以結(jié)合水壺、水塔、下水道的彎管等生活情境進行考查［3］.連通器的定義為上端開口，下端連通的容器，如圖2所示.其基本原理為當U型管內(nèi)裝的液體相同時，兩邊液體的密度是相等的，根據(jù)公式p=pgh可知，當液柱的高度相同時，假設連通的底部正中存在著一個小液片AB，則兩邊的液柱對該液片AB的壓強是相等的.即在內(nèi)部液體靜止的情況下，連通器各容器中液面是相平的.

例2 如圖3所示，一U型玻璃管水平放置在地面上，兩端與大氣相通，底部有一個閥門K，左側(cè)管子的橫截面積是右側(cè)管子的二分之一.已知閥門K關(guān)閉時，左側(cè)玻璃管液面高度為h，右側(cè)的液面高度為2h.某時刻將閥門K打開，則液面穩(wěn)定時，左側(cè)管子液面上升的高度為（" ）

A．12h"" B．13h"" C．23h"" D．h

思路分析 當將閥門K打開時，此時容器變成一個連通器.因為連通器的特點為液體靜止時，液面的高度相平，所以左側(cè)的液面要升高，右側(cè)的液面要下降.求解的問題是左側(cè)液面的變化高度，我們可以根據(jù)液體的總體積不變來進行列式求解.設左側(cè)管子的橫截面積為S，則右側(cè)管子的橫截面積為2 S，玻璃管中液體的總體積為V=Sh+2S×2h=5Sh.當最終液面相平時，左右兩側(cè)液面相等但橫截面積相差一倍，所以左側(cè)管子占據(jù)液體總體積的三分之一，右側(cè)管子占據(jù)三分之二，即V左=13×5Sh=

5SA3，則左側(cè)管子液體體積的變化量為5Sh3-Sh=

23Sh，因此，左側(cè)管子液面上升高度為23h，A項正確.

3 實驗探究問題

實驗探究性問題也是液體壓強中常考的題型，該類題主要圍繞液體壓強的特點及其影響因素，考查學生的實驗探究能力.常見的考點有：

①實驗采取的方法.要求學生掌握實驗中采用的轉(zhuǎn)換法和控制變量法.轉(zhuǎn)化法的基本原理是通過物理定律、實驗關(guān)系或數(shù)學關(guān)系等，將需要測量的物理量轉(zhuǎn)化為可以直接測量或觀察的物理量.在實驗中，轉(zhuǎn)化法常常被用于測量和觀察那些難以直接測量或觀察的物理量.控制變量法的基本原理是在實驗中只改變一個變量，而將其他可能影響結(jié)果的變量保持不變.通過這種方式，研究者可以確定所研究的變量對結(jié)果的影響是否真實，而不是其他可能的因素導致的結(jié)果變化.將兩種方法具體應用到液體壓強的實驗探究性問題時，具體應用為轉(zhuǎn)化法，將液體壓力轉(zhuǎn)化為液柱的高度，從而實現(xiàn)對液體壓強的測量.對于控制變量法，液體壓強受到多因素影響，每次只改變密度或者深度一個因素進行探究.

②液體壓強與液體高度的關(guān)系.要求學生設計實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)，進而分析數(shù)據(jù)，或根據(jù)題目中已有的數(shù)據(jù)和示意圖，進行分析.

③液體壓強與液體密度的關(guān)系.要求學生使用不同密度的液體進行實驗、分析數(shù)據(jù)，或根據(jù)題目中已有的數(shù)據(jù)和示意圖進行分析，推斷出液體壓強與液體密度之間的定性關(guān)系.

④液體壓強在不同深度的分布情況.通過實驗探究液體在不同深度處的壓強，要求學生根據(jù)數(shù)據(jù)或者示意圖分析液體壓強在不同深度處的分布規(guī)律.

⑤實驗失敗的原因分析.要求學生根據(jù)反常的實驗現(xiàn)象，找出實驗失敗的原因，比如氣密性不好、實驗前U型管左右兩邊液面未保持同一高度等.

⑥液體壓強的計算.要求學生根據(jù)實驗中的數(shù)據(jù)，依據(jù)公式進行計算.

例3 根據(jù)圖4“研究液體內(nèi)部的壓強”的探究活動（U形管所盛的液體是水），回答下列問題.

（1）在甲圖中，壓強計是通過觀察U形管中______的大小來反映______的大小，該過程運用的方法是______；

（2）實驗過程中，無論小紅如何移動水中的探頭，均觀察到U形管中的兩側(cè)的液面高度差不發(fā)生變化，該現(xiàn)象說明______；

（3）對丁圖和戊圖進行比較，說明當在同一深度時，液體壓強還與______有關(guān)；

（4）戊圖中，U形管的左右兩側(cè)液面高度差h=5 cm，則壓強計所測之處的液體壓強是______Pa.

思路分析 （1）考查探究實驗運用到的方法.在液體壓強的實驗中，運用到的方法有轉(zhuǎn)化法和控制變量法.甲圖中，液體壓強的大小是通過U形管中液面高度差的大小反映的，運用到的方法為轉(zhuǎn)化法.（2）考查實驗失敗的原因.探頭移動時，U型管兩端的液面高度應該是有差別的，不變動說明裝置的氣密性差，探頭端所受到的壓強不能夠通過橡膠管內(nèi)部的空氣傳遞至U型管中.（3）考查液體壓強的影響因素.觀察丁和戊圖可以發(fā)現(xiàn)，深度不變，改變的是液體的密度，此時U型管內(nèi)兩側(cè)的液面差有區(qū)別，說明液體受到的壓強不同，所以液體壓強還與液體的密度有關(guān).（4）考查的是液體壓強的計算.對p=pgh中的密度、深度數(shù)據(jù)進行分析.溶液是水，所以p=1×103 kg/m3、h=0.05 m，所以p=ρgh=1×103 kg/m3×10 N/kg×5×10-2 m=500 Pa.因此，壓強計所測之處的液體壓強是500 Pa.

4 結(jié)束語

總之，初中物理中關(guān)于液體壓強的學習是一個復雜且細致的過程.這一主題不僅包含了壓強的基本定義和計算公式，還涉及液體壓強與液體深度、密度等因素的關(guān)系.由于知識點繁多，學生在學習過程中很容易將這些概念和公式混淆，導致理解上出現(xiàn)偏差.為了有效提高教學效果，教師在教學過程中需要采用多種策略.通過合理的教學設計和有效的互動交流，提高教學效果，增強他們問題解決的能力.

參考文獻：

［1］ 李春光.分析初中物理液體壓強：熟練運用公式解決問題［J］.新教育時代電子雜志（學生版），2015（12）：78.

［2］ 王玲玲.物體浸在規(guī)則容器中液體對容器底部產(chǎn)生的壓強計算［J］.科學咨詢，2020（42）：148.

［3］ 呂敏.液體壓強的應用：連通器［J］.中小學教學研究，2014（z2）：52-52.

［責任編輯：李 璟］