初中物理液體壓強教學難點的形成及突破

王愛生 包萬鳳

摘? ? ? 要

初中物理液體壓強教學難點形成的原因有：知識本身的抽象性，學生頭腦中錯誤的前概念，呈現(xiàn)的實驗裝置單一，教科書編排的邏輯體系不足等。對此，從符合初中學生的思維習慣和認知規(guī)律的角度，設計了3個自創(chuàng)性實驗，使學生經(jīng)歷了體驗、豐富了經(jīng)驗，從而有效地突破了液體壓強的教學難點。

關(guān) 鍵 詞 初中物理? 液體壓強? 自創(chuàng)性實驗? 實驗教學

引用格式 王愛生，包萬鳳.初中物理液體壓強教學難點的形成及突破[J].教學與管理，2022（28）：57-60.

液體壓強是義務教育課程標準中認知層次達到理解要求的4個知識點之一，可見液體壓強是初中物理教學的重點。從以往的教學實踐來看，液體壓強教學也是初中物理教學的一個難點[1][2]。為此，我們探尋了液體壓強形成教學難點的原因，同時從符合初中學生的思維習慣和認知規(guī)律的角度設計了3個自創(chuàng)性實驗，來讓學生經(jīng)歷體驗，豐富表象，形成經(jīng)驗，提升素養(yǎng)，從而有效地突破了液體壓強教學的難點。

一、液體壓強教學難點的形成原因

1.知識本身的綜合性和抽象性

液體壓強的綜合性是指液體壓強的學習和理解過程中涉及到的物理思想因素，包括轉(zhuǎn)換的思想（液體壓強大小轉(zhuǎn)化為橡皮膜的凹陷程度和U型管中液柱的高度差），等效代替的思想（深入水中靜止的平底試管底部受到的壓強等效于液體產(chǎn)生的壓強），理想模型（計算液體壓強公式時選取理想的圓柱形液柱）。涉及到的知識點有：力的作用效果、密度、質(zhì)量、體積、重力、深度、面積、壓力和壓強、二力平衡等，甚至波及到玻意耳—馬略特定律（有助于理解U型壓強計的原理）以及大氣壓強（有助于明晰液體壓強和液體內(nèi)部壓強）[3]。這些知識對剛剛接觸物理的初二孩子來說足以眼花繚亂。而形成液體壓強抽象的主要原因有：初中生不了解它的起因[4]，對液體的流動性和液體的壓縮性認識不足[5]，加之液體壓強知識鏈條上沒有“帕斯卡定律”作為認知基礎的支撐，學生在邏輯思維上很難深入透徹地理解液體對容器壁有壓強，液體內(nèi)部向各個方向都有壓強且同一深度液體壓強相等。

2.學生頭腦中錯誤的前概念

“學生在學習新的概念時，一定會受到前概念的影響”[6]。學生在學習液體壓強之前，頭腦中已經(jīng)有了力、壓力與壓強等知識和經(jīng)驗，這個經(jīng)驗不自覺地遷移到生活和學習中，再與液體的質(zhì)量、重力、體積、密度等物理量相結(jié)合，很容易把固體壓強的觀念套用于液體壓強的學習，形成一些前概念。如液體的質(zhì)量越大，液體的壓強越大;液體也會等大地傳遞力;裝水的容器底面積越大，壓強也就越大。這些錯誤的前概念在思維上會阻礙科學概念的建構(gòu)和深入理解。

3.實驗裝置單一而實驗原理復雜

在當前使用的各種版本的義務教育初中物理教科書中，關(guān)于液體壓強教學主要編排了微小壓強計1個實驗裝置。該裝置在探究液體內(nèi)部有壓強、液體內(nèi)部向各個方向都有壓強，以及液體內(nèi)部同一深度壓強相等的知識點的教學上是特別有成效的?？梢院敛豢鋸埖卣f，到目前為止沒有一個實驗裝置可以優(yōu)越于它的教學效果，我想這也是所有教科書中都編入該實驗裝置的緣由。但我曾經(jīng)問過很多學生和老師微小壓強的實驗原理是什么，學生幾乎說不出原理是什么，而老師也不能完全說得很清楚。這是因為該實驗裝置從研究對象液體作用于實驗源的橡皮膜上，再通過“空氣傳遞”，最后使實驗效果顯示在U形玻璃管中左右液柱差上。實現(xiàn)上述過程要經(jīng)歷如下3次轉(zhuǎn)換：水施力使橡皮膜形變（力使物體發(fā)生形變）→在橡膠管內(nèi)封閉的空氣體積減少壓強增大（玻意耳—馬略特定律）→增大壓強的空氣柱推動有色液柱一端下降，另一端上升（力可以改變物體的運動狀態(tài)）。其中玻意耳—馬略特定律的內(nèi)容，初中物理還沒有涉及到，因此從實驗裝置的原理上來看有些復雜。

4.教科書中液體壓強編排的邏輯體系不足

在當前使用的各種版本的義務教育初中物理教科書中，除滬科版外[7]，在編排液體壓強內(nèi)容時均缺失帕斯卡定律的內(nèi)容。通過教學實踐來看，沒有編排帕斯卡定律導致思維邏輯上出現(xiàn)斷層與缺漏。從認知邏輯角度來看，帕斯卡定律是正確理解液體對容器壁周圍有壓強、液體內(nèi)部有壓強、液體內(nèi)部向各個方向都有壓強，以及液體壓強可以等大地傳遞等知識的基礎和關(guān)鍵。因此，液體壓強知識的學習總是在思維認知上有斷層，學生不能深入透徹地理解。從學科邏輯的角度來看，帕斯卡定律是組成流體力學系統(tǒng)各個知識點串聯(lián)起來而形成一定邏輯結(jié)構(gòu)所不可或缺的知識點。

二、突破液體壓強教學難點的策略

1.以自創(chuàng)性實驗獲得的豐富經(jīng)驗彌補抽象知識學習的不足

當前使用的各種版本的義務教育初中物理教科書，包括微小壓強計在內(nèi)，整個液體壓強教學最多編排了3個實驗裝置（人教社版編排了2個實驗裝置）。教科書中實驗內(nèi)容偏少地編排呈現(xiàn)液體壓強知識，很難實現(xiàn)課程標準所要求的通過實驗探究經(jīng)歷體驗，形成經(jīng)驗，建立有助于思維的直觀表象。如液體壓強公式P=ρgh都是“空降”一個理想的直液柱模型來理論推導。對多數(shù)抽象思維能力和理論推理能力不足的學生來說，這個從液體中想象劃分出來的假想的“直液柱”很難理解，因為日常生活中學生沒有這一方面的經(jīng)驗作為思維的支撐，加之初二學生剛剛適應從具體到抽象的教學過程。為此，我們自制機械壓強計來直觀呈現(xiàn)現(xiàn)象，豐富具體表象，從而提供符合學生認知規(guī)律的思維變化過程：感性上的具體→抽象的規(guī)定→思維中的具體。

（1）實驗裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，A是將方形透明飲料瓶的上部和下部去掉后得到的一個長方體容器;B是用螺絲與方形透明飲料瓶固定在一起的支點;C是硬質(zhì)塑料剪成的針狀指針，用來顯示液體壓強大小;D是用兩面膠粘貼在方形透明的飲料瓶上的刻度盤，用來標度液體壓強大小;E是“U”型的金屬細絲，一端與指針C相連，另一端與玩具氣球橡膠膜F相連，為了更好地反映橡皮膜形變程度，連接時將橡膠皮這端的金屬絲頭彎曲成小圓后，再用透明膠布粘接。

（2）實驗過程的說明

①用手指輕輕地向上擠壓橡皮膜，學生會觀察到受力后發(fā)生形變的橡皮膜帶動金屬絲使指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，壓力越大指針偏轉(zhuǎn)得越明顯，從而讓學生認識和理解該實驗裝置的原理。

②用手握住該裝置的上部，將橡皮膜那端朝下直接壓入水中，從飲料瓶貼紙刻度尺上讀出浸入液體中的深度越大，指針所指的刻度值越大。這說明在液體中深度越大，壓強越大。再把該裝置分別放入與水一樣深度的鹽水中，學生可觀察到指針所指的刻度值比水中的刻度值要大一些。從而說明深度相同時，液體的密度越大，液體的壓強就越大。

③往該實驗裝置的筒里面加適量的水，會觀察到筒中形成的“直液柱”所產(chǎn)生的壓力，使橡皮膜發(fā)生形變帶動指針偏轉(zhuǎn)。說明橡皮膜受到水柱向下的壓力。再把該裝置慢慢地放入水中，橡皮膜受到水向上的壓力凸起程度減小，從而觀察到指針示數(shù)在變小。當該裝置進入水中的深度與筒中的“直液柱”的深度相平時，觀察到指針恢復到?jīng)]有加水的平衡位置，說明“直液柱”向下的壓力與向上的壓力相等。

我們通過實驗創(chuàng)設情境提供了具體、真實、直觀的“直液柱”這個理想模型的原型。這有助于學生頭腦中建構(gòu)“直液柱”的表象，為學生的思維和推導液體壓強公式給予了最基本的起點經(jīng)驗。教師再從二力平衡的角度對橡皮膜作圖進行受力分析，使學生明確“直液柱”產(chǎn)生的壓強與橡皮膜所在位置液體產(chǎn)生的向上的壓強相等。此時再進行理論推導，液體壓強公式P=ρgh便水到渠成，從而避免了學生“無緣無故”地出現(xiàn)“看不見，摸不到”直液柱的困惑和不解。

2.利用自創(chuàng)性實驗創(chuàng)設的認知沖突糾正錯誤前概念

對于液體對容器壁有壓強、液體內(nèi)部向各個方向都有壓強，以及液體壓強與深度和密度等有關(guān)知識的學習，一般來說學生還是比較容易接受的。然而對知識點“液體壓強與液體的質(zhì)量和體積無關(guān)”的認知，學生具有“液體的質(zhì)量越大，液體的壓強越大”的錯誤前概念。因此，利用自創(chuàng)性實驗現(xiàn)象的事實與學生頭腦中原有認知的差異，引發(fā)認知上的沖突，使學生在經(jīng)歷和實踐中自我覺醒，在反思和內(nèi)化過程中重構(gòu)認知結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)知識的順應學習。

（1）實驗裝置的結(jié)構(gòu)

實驗裝置如圖2所示。A是透明飲料瓶，在其下部用自行車內(nèi)胎上的氣門空心螺絲固定出一個接口;B是水;C是娃娃營養(yǎng)快線的瓶蓋（比其他的飲料瓶瓶蓋稍大些），在蓋子圓心處用自行車內(nèi)胎上的氣門空心螺絲固定成一個接口，然后在瓶蓋C的開口面用橡膠膜包裹住，并用細線系好（保證氣密性好），最后將瓶蓋C用軟鐵皮半包后，用螺絲固定在刻度盤F上;D是約1m長的乳膠管;E是用螺絲固定在刻度盤F上的指針，用兩面膠將指針E與橡皮膜粘牢，實現(xiàn)指針隨橡皮膜變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由C、E、F組成了一個液體壓強計[8]。

（2）實驗過程的說明

①一只手拿著壓強計的刻度板F，另一只手往飲料瓶中倒入水，學生會觀察到壓強計上的橡皮膜凸起，觀察并記錄指針所指的刻度值的位置（或數(shù)值），從而說明液體對容器壁有壓強。

②用手舉高有水的透明飲料瓶A，學生會觀察到橡皮膜凸起，指針的示數(shù)越來越大。反之，學生會觀察到橡皮膜凹陷，指針的示數(shù)越來越小。從而直觀地說明液體的壓強與液體的質(zhì)量無關(guān)，同時也說明了液體的壓強隨著深度的增加而增大。

該實驗在保證液體質(zhì)量不變（飲料瓶中水的質(zhì)量不變）的前提下，通過提升飲料瓶的高度來改變液體的深度，從而影響液體壓強的大小，使學生更加信服，同時也更深刻地理解液體深度的內(nèi)涵。

3.利用自創(chuàng)性實驗的創(chuàng)新性彌補教科書編寫的不足

帕斯卡定律的學習有助于液體壓強知識之間的銜接，使知識脈絡更清晰，更有助于學生深刻地理解液體內(nèi)部向各個方向有壓強，液體對周圍的容器壁有壓強，液體同一深度壓強相等以及目前廣泛應用于工業(yè)的液壓傳遞等知識。因此，我們認為有必要教授液體壓強的傳遞規(guī)律。

（1）實驗裝置的結(jié)構(gòu)

實驗裝置如圖3所示。A是500ml的玻璃廣口瓶（也可是玻璃罐頭瓶）;B是加入廣口瓶中的水;C是包裹在飲料瓶瓶蓋開口面上的橡膠膜，用于感受廣口瓶中液體壓強大小的探頭;D是用于連接玻璃管的乳膠管，主要便于連接不同方面的探頭;E是通過橡膠塞子的“U”型玻璃管;F是塞在廣口瓶上的橡膠塞子，用來密閉廣口瓶中水;G是夾在乳膠管上的止水夾，用于控制廣口瓶中水的進出;H是乳膠管;I是“U”型玻璃管中的液柱，不僅用來封閉由C、E、I形成一個封閉的氣體系統(tǒng)，還通過液柱差來顯示廣口瓶中橡皮膜受水傳遞壓強的大小，從而構(gòu)成一個微小壓強計;J是橡膠膜向下深度不同的微小壓強計;K是橡膠膜向上深度不同的微小壓強計。

（2）實驗過程的說明

①拔掉帶有微小壓強計的廣口瓶上的橡膠塞子F，小心放置于桌面上。

②往廣口瓶A中倒入水至瓶口。

③將夾在乳膠管H上的止水夾G夾在玻璃管上（或取下），然后將橡膠塞子塞緊在廣口瓶上，廣口瓶中多余的水從乳膠管H中流出，再把止水夾夾在乳膠管H上，這樣就在廣口瓶中獲得了密閉的充滿的液體系統(tǒng)。

④醫(yī)用注射器中吸入適量的水，再連接上細軟塑料管（用打吊瓶的塑料細管中連接針頭的部分即可）后伸進“U”型玻璃管，推動注射器的活塞使水進入“U”型玻璃管中形成“U”型液柱。若形成的液柱左邊高于右邊液柱不相平時，將注射器的細管伸過左邊的液柱表面，吸出些氣體即可實現(xiàn)相平。最后達到3個微小壓強計中的液柱相平。

⑤注射器中吸滿水后與乳膠管H相連（注射器圖3中未畫出）。將止水夾G夾在玻璃管上，推動注射器的活塞作用于水，使水產(chǎn)生的壓強傳遞施加于密閉的廣口瓶中的水，從而使廣口瓶中的微小壓強計的探頭受到大小不變傳遞的液體壓強。此時學生會觀察到3個微小液體壓強計中的“U”型管液柱差相同。以上現(xiàn)象直觀地說明：加在密閉液體上的壓強大小不變地向各個方面?zhèn)鬟f。

該實驗裝置在密閉液體上的壓強能夠由液體以相同的大小向各個方向傳遞，彌補了以往我國教科書中實驗裝置以密閉的水和空氣共同傳遞壓強（一直以來沒有得到解決—）的不足[9]。若想得到定量的傳遞壓強的大小值，可在注射器（最好是玻璃注射器摩擦?。┑幕钊戏胖靡阎|(zhì)量的砝碼，通過測量注射器活塞的面積，利用P=F/S可計算出活塞產(chǎn)生的壓強大小。再用刻度尺測量出“U”管中液柱差深度，通過P=ρgh計算出產(chǎn)生的壓強值相等得到驗證。

參考文獻

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[3] 何敏，聶穎，肖化，等.中美中學物理教材對比與分析——以“液體壓強”為例[J].物理與工程，2021（02）：46-53.

[4] 陳紅，趙力紅，徐建平.提示科學本質(zhì)的實驗及教學運用（下）[J].中學物理教與學，2010（04）：55-58.

[5] 惠恩玲，張錦國，拾景忠.談談對液體壓強的深層理解[J].物理教學，2015（08）：34-36.

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[7] 義務教育物理課程標準試驗教科書編寫組.義務教育教科書物理八年級[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2012：148-162.

[8] 王愛生.“恒質(zhì)式”液體壓強演示器”[J].物理通報，2006（11）：56-57.

[9] 金之鋼.帕斯卡定律的演示實驗[J].物理教學，1986（10）：16-18+7.

【責任編輯? 孫曉雯】