变式训练 拓宽思维

陈健平

“探究液体压强与哪些因素有关”是《义务教育物理课程标准（2022年版）》中新增加的一个探究类学生必做实验。2024年辽宁省初中学业水平考试物理样卷第20题也对此实验进行了考查。

原题再现

小明要探究“液体内部压强的大小与哪些因素有关”，所用的实验器材有：压强计、大烧杯、刻度尺、足量的水、酒精和濃糖水。

（1）小明同学根据生活经验发现，自己游泳时潜入水中的位置越深，感觉受到水的压力越大。这个经验可以作为液体压强的大小与__________有关的猜想依据。同时他还提出了液体内部压强的大小可能与液体的密度等因素有关。

（2）实验前，用手多次轻压探头的橡皮膜，发现U形管内液面的高度均发生明显变化，说明该压强计__________。

（3）小明将探头放在水中某一深度，只改变探头的方向，如图1所示。可以得出：液体内部向各个方向都有压强，在同一深度，向各个方向的压强__________。

（4）小明又连续增加探头在水中的深度，发现U形管中液面高度差逐渐增大。

①他得出：液体内部压强的大小与液体深度有关。

②进一步分析还可以得出：液体的密度相同，深度越深，液体内部压强__________。

（5）小明继续探究“液体内部压强的大小与液体密度是否有关”，他按自己的设计进行了实验，收集的信息和数据如下表。（ ρ酒精 < ρ水 < ρ浓糖水）

[实验次数 液体种类 探头在液体中的深度 h/cm U形管两侧液面的高度差[Δ]h/cm 液体压强的大小 1 酒精 7.5 5.6 相等 2 水 6.0 5.6 3 浓糖水 4.8 5.6 ]

根据表中的信息和数据，并结合（4）中②的结论，小明得出：液体内部压强的大小与液体密度有关。请简述他分析实验信息、进行科学论证的过程：____。

破解策略

（1）根据小明游泳时潜入水中的位置越深，感觉受到水的压力越大，分析出液体内部压强变大，进而判断出液体内部压强的大小与深度有关，因此这个经验可以作为液体内部压强的大小与深度有关的猜想依据。

（2）用手多次轻压探头的橡皮膜，发现U形管内液面的高度均发生明显变化，这说明该压强计不漏气，气密性好。

（3）在同种液体中，当探头所在的深度相同时，只改变探头的方向，由图1可知U形管左右两侧液面的高度差不变，这表明：同种液体，在同一深度，液体向各个方向的压强相等。

（4）连续增加探头在水中的深度，发现U形管中液面高度差逐渐增大，这说明液体的密度相同，深度越深，液体内部压强越大。

（5）实验数据表明探头在酒精、水、浓糖水中的深度不同，U形管两侧液面的高度差相同，其中浓糖水的密度最大，探头所处的深度最小，但受到的压强和在酒精、水中受到的压强相等。根据（4）中②的结论“液体的密度相同，深度越深，液体内部压强越大”，推理可知：若探头在浓糖水中所处的深度与在酒精中或水中所处深度相同，则探头在浓糖水中时U形管两侧液面的高度差会大于在酒精中或者在水中的高度差，从而知道探头在酒精、水、浓糖水中相同深度处，在浓糖水中受到的压强最大，由此得出：液体内部压强的大小与液体密度有关，在深度相同时，液体密度越大，液体内部压强越大。

答案：（1）深度 （2）不漏气（或气密性好） （3）相等 （4）越大 （5）浓糖水的密度最大，探头所处的深度最小，但受到的压强和在酒精、水中受到的压强相等，根据（4）中②的结论推理可知：若探头所处的深度相同，则探头在浓糖水中时U形管两侧液面的高度差最大，浓糖水产生的压强最大，由此得出：液体内部压强的大小与液体密度有关，在深度相同时，液体密度越大，液体内部压强越大

拓展延伸

小聪同学利用U形管压强计探究“液体压强与哪些因素有关”，具体操作如图2所示：

（1）在选择U形管压强计时，探头上的橡皮膜应该用__________（选填“薄”或“厚”）一些的较好。安装后，小聪发现U形管内液面左低右高如图甲所示，为使U形管左右两侧液面相平，接下来的操作是__________。（选填正确答案前字母）

A.摇晃U形管 B.拆除软管重新安装

C.按压橡皮膜 D.将右侧管中高出的红墨水倒出

（2）调整好装置后，小聪将探头放入水中，并逐渐增大探头在水中的深度，实验现象如图乙、丙所示，这说明____。

（3）为探究液体压强与液体密度的关系，小聪又完成了图丁所示实验，对比丙、丁两次实验得出：深度相同时，液体密度越大，液体内部压强越大。同时小聪还发现两次U形管两侧水面高度差对比不明显，为使实验现象更加明显，下列操作可行的是__________。（多选，选填正确答案前字母）

A.将图丁中探头下移

B.丁烧杯中换用密度更大的液体

C.将U形管中的水换成密度更小的酒精

（4）实验过程中，小聪发现即使探头不受液体压强，U形管左右两侧液面也经常不相平，为了解决这个问题，小聪在老师的帮助下对压强计进行了改进（如图3），在软管与U形管的交接处连入了一个三通管K，可以通过控制K的打开和关闭实现与外界大气的通和断，若压强计在使用前出现如图甲中的情形，只需__________（选填“打开”或“关闭”）三通管K即可解决问题。

（5）请你根据（2）、（3）中得出的结论帮助小聪回答下列问题：保持图丁中探头的位置不变，并将一杯清水倒入烧杯中搅匀后（液体未溢出），U形管两侧的液面的高度差_________（选填“变大”“变小”或“不变”）。

（6）课后小聪同学推导出了液体压强的计算公式，又利用U形管压强计改装成如图4所示的测量某种未知液体的密度的密度计。A为固定支架，其作用是保证橡皮膜在不同的液体中深度均为5 cm。U形管盛水，其右管标有刻度值，为了便于读数，在U形管右管中有一个指示液面位置的红色浮标。未测量时，U形管水面刚好与a相平。当橡皮膜放入某液体中时，浮标指示在b处，小宁利用刻度尺测出a、b之间的距离为2.0 cm，则该液体的密度为__________g/cm3。

答案：（1）薄；B （2）同种液体的压强随液体深度增加而增大 （3）BC （4）打开 （5）变大 （6）0.8

（作者单位：锦州市实验学校）