液體的壓強(qiáng)創(chuàng)新實驗

張前軍

(金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部，江蘇 南京 210033)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》對液體的壓強(qiáng)要求是“通過實驗,探究并了解液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”.蘇科版教材在“液體的壓強(qiáng)”一節(jié)中也突出以科學(xué)探究為載體,在研究中只要求得到壓強(qiáng)和深度、液體的密度的定性關(guān)系,不要求定量計算．因此,蘇科版教材正文中沒有安排液體壓強(qiáng)的理論推導(dǎo)方法和結(jié)果的內(nèi)容,以及連通器原理的內(nèi)容．在實際教學(xué)中,這給學(xué)生提出有依據(jù)的、排除“偽科學(xué)”的猜想帶來不小障礙,如排除諸如重力(質(zhì)量、體積)這一猜想因素在教學(xué)中通常都是不了了之．在使用U型管壓強(qiáng)計中“通過兩液面的高度差反映壓強(qiáng)的大小”缺乏必要的、充分的過渡,學(xué)生始終對用這種半定量儀器來測量液體壓強(qiáng)的科學(xué)性存在疑惑．筆者通過自制教具,對解決以上問題作了一點嘗試,現(xiàn)與同行交流如下．

1 創(chuàng)新實驗,提高猜想與假設(shè)的效度

1.1 巧設(shè)情境,激發(fā)有依據(jù)、導(dǎo)向明確的猜想

圖1 壓強(qiáng)與深度、密度關(guān)系

對于初二學(xué)生來講,剛學(xué)習(xí)物理,普遍缺乏對生活中各種物理現(xiàn)象的關(guān)注和挖掘生活中與物理相關(guān)事物的意識,在進(jìn)行探究式教學(xué)時,需要教師創(chuàng)設(shè)導(dǎo)向明確的探究情境,激發(fā)學(xué)生的探究欲望,讓學(xué)生進(jìn)行有依據(jù)的猜想．

如圖1所示,在4根相同的、一端封有橡皮膜的塑料管中裝入紅色的水(1、2、3號管)和藍(lán)色的濃鹽水(4號管),將4根管子同時懸掛在支架上．該對比實驗中的現(xiàn)象明顯,啟發(fā)猜想的導(dǎo)向性特別明確,容易誘發(fā)學(xué)生根據(jù)1、2、3號管底端橡皮膜鼓起的球狀大小得出“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)可能與液體的深度有關(guān),深度越大,壓強(qiáng)越大”的猜想,根據(jù)3、4號管底端橡皮膜鼓起的球狀大小得出“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)可能與液體的密度有關(guān),密度越大,壓強(qiáng)越大”的猜想．

1.2 去偽存真,提煉有價值、表達(dá)準(zhǔn)確的猜想

圖2 壓強(qiáng)與重力關(guān)系

在圖1所示中,學(xué)生根據(jù)1、2、3號管的現(xiàn)象也可能猜想影響液體內(nèi)部壓強(qiáng)的因素與液體的重力(質(zhì)量、體積)有關(guān),如圖2所示,5號管子下端與前面4根管子相同,5號管的上端接上較細(xì)的管子,3號管與5管中紅水深度相同,管子下端橡皮膜鼓起的球狀大小也相同,由此非常直觀地排除影響液體內(nèi)部壓強(qiáng)的因素與液體的重力(質(zhì)量、體積)有關(guān)的猜想．

圖3 壓強(qiáng)與長度關(guān)系

在教學(xué)中,學(xué)生在猜想中可能把“深度”說成“長度”,在圖1所示現(xiàn)象中這兩者是沒有區(qū)別的,如圖3所示,將裝有紅水的2號管子緩慢從豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)動到傾斜,在轉(zhuǎn)動的過程中管子底端的橡皮膜鼓起來的球狀由大變小,與3號管對比可以看出,雖然2號管中水柱比3號管中的長,但其深度小,2號管下端橡皮膜鼓起的球狀體也小．因此,影響液體內(nèi)部壓強(qiáng)的因素與液體的“深度”有關(guān),而不能說成是“長度”．

2 創(chuàng)新實驗,凸顯構(gòu)建U型壓強(qiáng)計原理的思維過程

在“探究影響液體壓強(qiáng)的因素”實驗中,需要一個能夠反映液體壓強(qiáng)大小的測量儀器,如圖4(甲)所示,一端封有橡皮膜的管子,若管子裝有液體或插入液體中,根據(jù)橡皮膜的形變程度完全可以反映液體壓強(qiáng)的大?。?/p>

圖4 壓強(qiáng)計演變過程

而事實上,橡皮膜形變的細(xì)微變化是難以分辨,用橡皮膜的形變程度反映液體壓強(qiáng)大小的靈敏度不高．但橡皮膜形變會帶來管內(nèi)空氣柱的移動,根據(jù)空氣柱的移動距離也可以反映液體壓強(qiáng)的大小.由于空氣看不見,可以在管內(nèi)封閉一段活塞,如圖4(乙)所示,空氣柱的移動會帶活塞的移動.這樣將橡皮膜形變程度進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為活塞的移動距離來反映液體壓強(qiáng)的大?。?/p>

通過按壓橡皮膜,發(fā)現(xiàn)活塞移動的距離較小,還不能較靈敏地反映壓強(qiáng)的變化.現(xiàn)將活塞部分的管子和活塞加以改進(jìn),如圖4(丙)所示,活塞部位的管子變成細(xì)的軟管,管內(nèi)封閉一段紅水,輕微按壓橡皮膜,水柱移動的距離較大,因此可以說水柱的上液面、水柱的下液面和水柱的移動距離都能夠反映液體壓強(qiáng)的大小．

如圖4(丁)所示,將紅水柱部位軟管制成U型管,將兩個液面移動距離累加到一起來反映液體壓強(qiáng)的大小,即通過觀察兩個液面的高度差反映液體壓強(qiáng)的大小,進(jìn)一步提高壓強(qiáng)計的靈敏度,并在U型管背面標(biāo)上刻度線,方便定量記錄液面高度差.這樣一個實用的液體壓強(qiáng)計就誕生了,它和實驗室的U型管壓強(qiáng)計在本質(zhì)上沒有區(qū)別．

以上通過模型構(gòu)建液體壓強(qiáng)計的雛形,運用轉(zhuǎn)換放大的思想引導(dǎo)學(xué)生分析雛形的不足并在改進(jìn)過程中理解液體壓強(qiáng)計的原理.雖然學(xué)生不一定能夠想到具體怎么做,但至少能夠讓學(xué)生認(rèn)識改進(jìn)研究細(xì)微變化的方法是轉(zhuǎn)換放大法,在此過程中有力的培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維．

3 自制教具,知之非難,行之不易

在以上創(chuàng)新實驗中,最難制作是圖1中的封有橡皮膜的長管,現(xiàn)與大家分享制作方法如下.

(1) 細(xì)管選擇:淘寶網(wǎng)購亞克力透明圓管(外徑20 mm、厚度2 mm、長度750 mm),在管子一端直徑上打孔(直徑4 mm)方便懸掛．

(2) 橡皮膜選擇:光面安全套．

圖5 橡皮膜安裝

(3) 制作過程: ① 將準(zhǔn)備封閉橡皮膜的圓管一端轉(zhuǎn)動接近酒精燈火焰,使圓管端口邊緣略微熔化變圓滑狀; ② 將橡皮膜在略張緊狀態(tài)下蒙到圓管上,并在橡皮膜上扎緊2道線,其中第1道線緊貼圓管端口,第2道線離圓管端口約8 mm,如圖5所示．

(4) 調(diào)試方法:以其中一根管子為標(biāo)準(zhǔn)(不需要調(diào)整橡皮膜松緊),向標(biāo)準(zhǔn)管中加水,直至橡皮膜凸出為球狀為止.再向其它調(diào)試管中加水,直至橡皮膜凸出為球狀為止.若管子中水柱比標(biāo)準(zhǔn)管中的長且橡皮膜凸起的球狀體比標(biāo)準(zhǔn)管的偏小,說明橡皮膜偏緊;反之,說明橡皮膜偏松．松開調(diào)試管上的第1道線,推動(不是松開)第2道線調(diào)整橡皮膜的松緊程度,再扎上第1道線后加水,與標(biāo)準(zhǔn)管比較水柱長短和橡皮膜球狀體大小,反復(fù)幾次直至與標(biāo)準(zhǔn)管加水時狀態(tài)相同.這樣調(diào)試好的管子可以認(rèn)為都是相同的管子．

(5) 特別注意: ① 管子不能太粗,否則橡皮膜凸起過大容易破裂,降低橡皮膜的使用壽命; ② 管上封閉橡皮膜的端口務(wù)必用火焰烤一烤,消除直角邊緣和毛刺,否則特別容易碰破橡皮膜,為保護(hù)橡皮膜通常還在使用前給橡皮膜戴上棉手指套; ③ 若橡皮膜在松馳狀態(tài)下蒙到圓管上,雖然能保證橡皮膜的初始松緊狀態(tài)基本一致,減少反復(fù)調(diào)試之苦,向管中加更多水時橡皮膜球狀體雖然變大,但管中水柱長度反而是減小的,將無法得到與猜想影響因素“深度”正相關(guān)的情境．