液体的压强创新实验

张前军

(金陵中学仙林分校中学部，江苏 南京 210033)

《义务教育物理课程标准(2011年版)》对液体的压强要求是“通过实验,探究并了解液体压强与哪些因素有关”.苏科版教材在“液体的压强”一节中也突出以科学探究为载体,在研究中只要求得到压强和深度、液体的密度的定性关系,不要求定量计算．因此,苏科版教材正文中没有安排液体压强的理论推导方法和结果的内容,以及连通器原理的内容．在实际教学中,这给学生提出有依据的、排除“伪科学”的猜想带来不小障碍,如排除诸如重力(质量、体积)这一猜想因素在教学中通常都是不了了之．在使用U型管压强计中“通过两液面的高度差反映压强的大小”缺乏必要的、充分的过渡,学生始终对用这种半定量仪器来测量液体压强的科学性存在疑惑．笔者通过自制教具,对解决以上问题作了一点尝试,现与同行交流如下．

1 创新实验,提高猜想与假设的效度

1.1 巧设情境,激发有依据、导向明确的猜想

图1 压强与深度、密度关系

对于初二学生来讲,刚学习物理,普遍缺乏对生活中各种物理现象的关注和挖掘生活中与物理相关事物的意识,在进行探究式教学时,需要教师创设导向明确的探究情境,激发学生的探究欲望,让学生进行有依据的猜想．

如图1所示,在4根相同的、一端封有橡皮膜的塑料管中装入红色的水(1、2、3号管)和蓝色的浓盐水(4号管),将4根管子同时悬挂在支架上．该对比实验中的现象明显,启发猜想的导向性特别明确,容易诱发学生根据1、2、3号管底端橡皮膜鼓起的球状大小得出“液体内部的压强可能与液体的深度有关,深度越大,压强越大”的猜想,根据3、4号管底端橡皮膜鼓起的球状大小得出“液体内部的压强可能与液体的密度有关,密度越大,压强越大”的猜想．

1.2 去伪存真,提炼有价值、表达准确的猜想

图2 压强与重力关系

在图1所示中,学生根据1、2、3号管的现象也可能猜想影响液体内部压强的因素与液体的重力(质量、体积)有关,如图2所示,5号管子下端与前面4根管子相同,5号管的上端接上较细的管子,3号管与5管中红水深度相同,管子下端橡皮膜鼓起的球状大小也相同,由此非常直观地排除影响液体内部压强的因素与液体的重力(质量、体积)有关的猜想．

图3 压强与长度关系

在教学中,学生在猜想中可能把“深度”说成“长度”,在图1所示现象中这两者是没有区别的,如图3所示,将装有红水的2号管子缓慢从竖直状态转动到倾斜,在转动的过程中管子底端的橡皮膜鼓起来的球状由大变小,与3号管对比可以看出,虽然2号管中水柱比3号管中的长,但其深度小,2号管下端橡皮膜鼓起的球状体也小．因此,影响液体内部压强的因素与液体的“深度”有关,而不能说成是“长度”．

2 创新实验,凸显构建U型压强计原理的思维过程

在“探究影响液体压强的因素”实验中,需要一个能够反映液体压强大小的测量仪器,如图4(甲)所示,一端封有橡皮膜的管子,若管子装有液体或插入液体中,根据橡皮膜的形变程度完全可以反映液体压强的大小．

图4 压强计演变过程

而事实上,橡皮膜形变的细微变化是难以分辨,用橡皮膜的形变程度反映液体压强大小的灵敏度不高．但橡皮膜形变会带来管内空气柱的移动,根据空气柱的移动距离也可以反映液体压强的大小.由于空气看不见,可以在管内封闭一段活塞,如图4(乙)所示,空气柱的移动会带活塞的移动.这样将橡皮膜形变程度进一步转换为活塞的移动距离来反映液体压强的大小．

通过按压橡皮膜,发现活塞移动的距离较小,还不能较灵敏地反映压强的变化.现将活塞部分的管子和活塞加以改进,如图4(丙)所示,活塞部位的管子变成细的软管,管内封闭一段红水,轻微按压橡皮膜,水柱移动的距离较大,因此可以说水柱的上液面、水柱的下液面和水柱的移动距离都能够反映液体压强的大小．

如图4(丁)所示,将红水柱部位软管制成U型管,将两个液面移动距离累加到一起来反映液体压强的大小,即通过观察两个液面的高度差反映液体压强的大小,进一步提高压强计的灵敏度,并在U型管背面标上刻度线,方便定量记录液面高度差.这样一个实用的液体压强计就诞生了,它和实验室的U型管压强计在本质上没有区别．

以上通过模型构建液体压强计的雏形,运用转换放大的思想引导学生分析雏形的不足并在改进过程中理解液体压强计的原理.虽然学生不一定能够想到具体怎么做,但至少能够让学生认识改进研究细微变化的方法是转换放大法,在此过程中有力的培养了学生的科学思维．

3 自制教具,知之非难,行之不易

在以上创新实验中,最难制作是图1中的封有橡皮膜的长管,现与大家分享制作方法如下.

(1) 细管选择:淘宝网购亚克力透明圆管(外径20 mm、厚度2 mm、长度750 mm),在管子一端直径上打孔(直径4 mm)方便悬挂．

(2) 橡皮膜选择:光面安全套．

图5 橡皮膜安装

(3) 制作过程: ① 将准备封闭橡皮膜的圆管一端转动接近酒精灯火焰,使圆管端口边缘略微熔化变圆滑状; ② 将橡皮膜在略张紧状态下蒙到圆管上,并在橡皮膜上扎紧2道线,其中第1道线紧贴圆管端口,第2道线离圆管端口约8 mm,如图5所示．

(4) 调试方法:以其中一根管子为标准(不需要调整橡皮膜松紧),向标准管中加水,直至橡皮膜凸出为球状为止.再向其它调试管中加水,直至橡皮膜凸出为球状为止.若管子中水柱比标准管中的长且橡皮膜凸起的球状体比标准管的偏小,说明橡皮膜偏紧;反之,说明橡皮膜偏松．松开调试管上的第1道线,推动(不是松开)第2道线调整橡皮膜的松紧程度,再扎上第1道线后加水,与标准管比较水柱长短和橡皮膜球状体大小,反复几次直至与标准管加水时状态相同.这样调试好的管子可以认为都是相同的管子．

(5) 特别注意: ① 管子不能太粗,否则橡皮膜凸起过大容易破裂,降低橡皮膜的使用寿命; ② 管上封闭橡皮膜的端口务必用火焰烤一烤,消除直角边缘和毛刺,否则特别容易碰破橡皮膜,为保护橡皮膜通常还在使用前给橡皮膜戴上棉手指套; ③ 若橡皮膜在松驰状态下蒙到圆管上,虽然能保证橡皮膜的初始松紧状态基本一致,减少反复调试之苦,向管中加更多水时橡皮膜球状体虽然变大,但管中水柱长度反而是减小的,将无法得到与猜想影响因素“深度”正相关的情境．