液体内部压强探究演示仪

2019-07-03浙江省绍兴市第一初级中学教育集团镜湖校区312000肖荣荣

中小学实验与装备 2019年3期

浙江省绍兴市第一初级中学教育集团镜湖校区(312000) 肖荣荣

1 教具的教学意义与价值

本教具能直观地演示塑料软管内液体的内部压强大小，将抽象的问题以数字化形式直观而具体地展现在学生面前。帮助学生理解影响液体内部压强大小的因素(如容器的形状、液体的质量、液体的深度和液体密度等)，液体各个方向压强大小的关系。特别是在纠正学生对“液体深度”理解偏差方面，发挥了关键的作用。

2 教具装置图

教具装置如图1、图2所示。

图1 装置测量部分

图2 装置全貌

3 教具设计原理

利用塑料软管有较强的可塑性特点，以及运用构成空气腔体(由乳胶膜、内外接头、单孔橡皮塞构成)的一侧乳胶膜受到液体压力而引起腔体内气压大小变化的原理，并通过转换测量法探究软管内液体内部压强大小。

4 教具特点及应用

通过传感器与塑料软管多种形状的变换，可对液体内部压强大小影响因素(如容器的形状、液体的质量、液体的深度和液体的密度等)，以及同一深度液体各个方向压强大小关系进行综合性实验探究。实验操作灵活简便，学生可看到实时实验数据，实验现象明显、直观性强。

5 制作材料

塑料软管(内直径为20mm)、杯梳、内外接头(2个)、乳胶膜、单孔橡皮塞、乳胶管(3mm×5mm)、背景板、U型管卡、尺子、压强传感器(朗威LW－T822)、数据采集器、电脑等。

6 制作方法

(1)如图1所示，按以下顺序将器材组装在一起：塑料软管→杯梳→内外接头(乳胶膜安装在内外接头间)→单孔橡皮塞→乳胶管→压强传感器)，构成实验装置的测量部分。

(2)将5个U型管卡按图2所示安装在背景板上(它们的作用是用来固定实验时的软管)，并贴上编号；管卡1与其他几个不同，它可绕其中央固定螺丝360°旋转(用来固定装有乳胶膜的内外接头)。最后在白色背景板上画上一条通过管卡1中央位置的水平线A。

7 实验过程

7.1 液体内部压强大小与容器形状、液体质量、液体深度有关吗?

(1)按图2所示，安装好全部器材，然后将乳胶膜处 (测量点)与管卡1的中央标记线对准后卡住固定，选择管卡1、2、3固定软管，此时电脑显示的是大气压强103.0kPa。然后往软管里注入一定量被染红的自来水，此时测量点的压强示数变为105.3kPa。在背景板上作出此时软管内液面的水平位置标记B，如图3所示。在保持塑料软管内液体质量不变的情况下，重复以上的操作，选择管卡1、2、5固定软管，当电脑显示压强示数变为105.3kPa时，作出软管内液面的水平位置标记C，如图4所示。通过实验我们发现，在液体质量不变的情况下，软管处于两个不同形状位置时也可得到相同大小的压强，所以我们可得出液体内部压强大小与容器形状无关。

图3 管卡1、2、3固定软管

图4 管卡1、2、5固定软管

(2)如图5所示，选择管卡1、2、4、固定软管，同时倒出一定量的液体，当电脑显示压强示数变为105.3kPa时，作出软管内液面的水平位置标记D。同样，如图6所示，选择管卡1、2、4、5固定软管，增加一定量的液体，当电脑显示压强示数变为105.3kPa时，作出软管内液面的水平位置标记E，如图6所示。通过以上实验我们发现，当液体质量不同 (减小或增大)时，也可得到相同大小的液体内部压强，由此可得出液体内部压强大小与质量也无关。

(3)液体内部压强大小与什么因素有关呢?与液体深度有关吗?通过仔细观察和分析图3、4、5、6，我们发现对于同一种液体，不管是软管形状变化还是液体质量变化，压强示数都为105.3kPa时，这四处液面的水平位置标记线与通过测量点的水平线A的竖直距离均为25cm，这就是液体深度，它是指自由液面到测量点的竖直距离。因此可以得出，对于同一种液体，如果液体内部测量点的深度不变，则其压强大小不变。通过再次验证 (见图6)，让软管进行上下移动，使得其液面忽上忽下，我们可观察到液体内部压强示数也随之忽大忽小。以上实验表明，液体内部压强大小与液体的深度有关，它随深度的增加而增大。

7.2 液体内部压强大小与液体密度有关吗?

图5 管卡1、2、4固定软管

图6 管卡1、2、4、5固定软管

如图7(a)(b)(c)所示，水平线A1与A的竖直距离为27cm，选择管卡1、2、4、固定软管，在软管内分别注入染红的酒精(ρ＝0.8g/cm3)、盐水(ρ＝1.06g/cm3)和水(ρ＝1.0g/cm3)3种不同密度的液体至水平线A1处，然后观察记录它们的压强示数。通过实验我们发现，液体内部压强大小与液体的密度有关，密度越大，压强越大。

图7 探究液体内部压强与液体密度的关系

7.3 在同一深度，液体内部向各个方向的压强相等吗?

乳胶膜处(测量点)与管卡1的中央标记线对准卡住固定后，无论管卡1旋转多少度，乳胶膜的中央测量点与水平线A1的竖直距离始终不变。设置液体深度为27cm，对同一种液体(染红的水)，分别对中央测量点的侧面、朝上和朝下3个方向的液体内部压强进行测量分析。通过以上实验我们发现，对于同一种液体，在同一深度，液体内部向各个方向的压强相等。