用自制教具探究液体压强与深度的关系

王超

摘   要：传统实验利用微小压强计研究液体压强与深度的定性关系，文章利用改进的实验装置可研究液体压强与深度的定量关系，加深学生对液体压强和深度关系的理解。

关键词：自制教具;液体压强;深度;定量探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）7-0049-3

1    传统实验的回顾

《液体的压强》选自人教版物理八年级下册第九章第2节，常规的实验教学是利用微小压强计通过控制变量法和转换法来研究液体压强与深度的定性关系。实验中并不直接测量液体压强的大小，而是将液体压强的大小转换为U形管液面高度差，U形管中液面高度差越大，表明该处液体压强越大。

如图1所示，学生观察到微小压强计探头在同一深度处分别向上、向下、向侧面时，U形管中液面高度差均不变，可以得出结论：液体内部同一深度处向各个方向的压强均相等。

在课本实验中，学生观察到在同种液体（水）中不同深度处，U形管两端液面高度差不同，且U形管液面高度差随探头深度的增加而增加。由此可以得出结论：当液体密度一定时，液体压强随深度的增大而增大[1]。

2.2    制作过程

（1）利用有机玻璃板制作尺寸为25 cm×20 cm×25 cm的透明水槽，并在水槽底部固定四根玻璃立柱，用于固定载物盒，使载物盒能够水平漂浮于水面，不会因重力不均匀而倾斜;

（2）利用有机玻璃板制作尺寸为10 cm×10 cm×10 cm的载物盒，并在载物盒中央安装一根竖直玻璃管，玻璃管内径比待加入的砝码直径稍大;

（3）用AB胶在载物盒左右两侧粘上两只空心圆筒，使圆筒能够顺着两侧的玻璃立柱上下滑动，实验时笔者在玻璃立柱与圆筒之间涂抹了少量甘油作为润滑剂用于减小摩擦;

（4）在载物盒的一个侧面贴上有长度刻度的贴纸，可以用于测量载物盒浸入水中的深度。

除以上需自制的器材外，实验演示过程中还需要镊子、质量为100 g的砝码（5个）、甘油等。

3    教学中教具的使用

3.1    实验演示过程

（1）在载物盒左右的空心圆筒中涂满甘油，将载物盒两侧的空心圆筒套入固定立柱，水平浸入水中，最终处于静止状态。此时载物盒的质量为200 g，记录此时载物盒底部浸入深度2.10 cm（0.0210 m）;

（2）用镊子添加第一个100 g砝码，此时载物盒总质量为300 g，记录载物盒静止时底部浸入深度为3.10 cm（0.0310 m）;

（3）用同样的方式再依次加入三个100 g的砝码，使载物盒的总质量分别为400 g、500 g、600 g，对应的深度分别为4.00 cm（0.0400 m）、5.10 cm（0.0510 m）、6.20 cm（0.0620 m），如圖4;

（4）取出载物盒和砝码，整理实验器材，实验结束。

3.2    实验数据处理

（1）利用表格分析p-h的关系

为了方便学生观察p-h之间有怎样的定量关系，对于压力F和液体压强p笔者用表1的形式记录。填写完毕后请学生观察表格数据，尝试寻找p-h的倍数关系。

（2）利用图像分析p-h的关系

为了更直观地反映二者之间的关系，笔者为学生提供了坐标纸，请学生将得到的数据在坐标纸中描点作图，观察并总结得出p-h的关系。学生完成后，教师用Excel软件处理实验数据，学生观察该过程，将自己的结论与老师的做对比，如图5。

通过分析图像关系，引导学生得出在水中液体压强与深度的定量关系：当水的密度一定时，液体压强与深度成正比。

用同样的方法可以引导学生利用不同的液体进行实验，分别观察不同液体中液体压强与深度的关系。

综上所述，可以得出普遍结论：当液体的密度一定时，液体压强与深度成正比。同时，还可以引导学生得出结论：对于密度不同的液体在同一深度处，液体密度越大，压强越大。

4    实验设计反思

受托里拆利实验的启发，该教具利用固体压强来测量液体压强的大小，原理简单易懂，现象明显，数据信度、效度高;同时制作简单，形象直观，具有可重复使用的优点，可作为学生分组实验使用，能够有效提高学生实验探究和数据处理的能力。仍需改进的地方是可设法减小载物盒与固定立柱之间的摩擦力，使实验数据更加准确。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理八年级下册[M].北京：人民教育出版社，2012：33-35.

[2]刘贵毅. 液体压强和深度关系实验器的改进[J].中国教育技术装备，2002（4）：13.（栏目编辑    王柏庐）