定性定量探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置*

葛興爍 李 強(qiáng)

(石家莊市第四十八中學(xué) 河北 石家莊 050024)

紀(jì)登輝

(石家莊學(xué)院物理學(xué)院 河北 石家莊 050024)

液體壓強(qiáng)的內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)浮力內(nèi)容的基礎(chǔ)[1]．在教學(xué)過程中，先利用U形管壓強(qiáng)計(jì)定性探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體密度和深度的關(guān)系．最后，通過理論推導(dǎo)直接給出計(jì)算液體內(nèi)部壓強(qiáng)的公式．從定性研究到直接給出計(jì)算公式這一過程中，對(duì)學(xué)生來說顯得非常突兀和不自然．為了解決這一問題，曾有學(xué)者利用數(shù)顯技術(shù)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析得出液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體密度和深度的關(guān)系[2-5]．但這些實(shí)驗(yàn)器材，要么成本太高，難以推廣．要么數(shù)據(jù)測(cè)量方法困難，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以保證．為把探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)拓展為既可定性也可以方便定量的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)．

1 建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

液體壓強(qiáng)p=ρgh表達(dá)了液體產(chǎn)生壓強(qiáng)與液體密度、液體深度、g的關(guān)系．要想確立這個(gè)關(guān)系，就必須利用合適的儀器，測(cè)量出4個(gè)物理量，利用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出各物理量之間的關(guān)系．筆者結(jié)合傳統(tǒng)的液體壓強(qiáng)計(jì)的設(shè)計(jì)原理，將GM510手持式數(shù)字壓力計(jì)與原裝置中的圓盒通過橡皮管相連，就能組成一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

組合裝置的實(shí)驗(yàn)原理與傳統(tǒng)U形管壓強(qiáng)計(jì)原理類似，如圖2所示．?dāng)?shù)字壓力計(jì)的左端與大氣連接，右端通過軟管連接圓盒，將圓盒豎直插入水中一定深度處，此時(shí)橡皮膜受到的壓強(qiáng)p=p0+ρgh．根據(jù)帕斯卡定律，橡皮膜將壓強(qiáng)通過封閉在橡皮管中的氣體，傳遞給數(shù)字壓力計(jì)．因此，軟管中的氣壓為p0+ρgh．?dāng)?shù)字壓力計(jì)此時(shí)顯示的數(shù)值就是左右兩端的壓強(qiáng)差，即ρgh．利用此裝置便能測(cè)量出液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大?。?/p>

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理

2 實(shí)驗(yàn)探究

2.1 定性探究液體壓強(qiáng)與液體深度和密度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1) 把實(shí)驗(yàn)裝置放置右水平桌面上，將橡皮管與壓力計(jì)的接頭連接．未深入液體時(shí)，屏幕示數(shù)顯示為0 kPa (如果不是0，就需要通過校零按鈕，使其歸零)；

(2) 將圓盒慢慢深入液體中，待示數(shù)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)對(duì)應(yīng)深度h及液體壓強(qiáng)p大??；

(3)改變深入液體的深度，再次實(shí)驗(yàn)，記錄結(jié)果數(shù)據(jù)如表1；

表1 利用水(1.0 g/cm3)探究液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系

(4) 換用不同種類的液體，重復(fù)上述3個(gè)步驟，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3．

表2 利用食鹽水1(1.04 g/cm3)探究液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系

表3 利用食鹽水2(1.1 g/cm3)探究液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系

分析表格中的數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：在液體密度一定時(shí)，深度越深，壓強(qiáng)越大．同時(shí)，在深度相同時(shí)，液體密度越大，壓強(qiáng)越大．

2.2 定性探究液體壓強(qiáng)與液體深度和密度的關(guān)系

利用Excel軟件對(duì)上述3個(gè)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到壓強(qiáng)與液體深度的關(guān)系圖像，如圖3所示．選中某一固定液體深度h=137 m，再利用Excel軟件處理液體壓強(qiáng)與液體密度的關(guān)系，得到圖像，如圖4所示．

圖3 液體壓強(qiáng)與液體深度關(guān)系圖

圖4 液體壓強(qiáng)與液體密度關(guān)系圖

分析圖3可知，在誤差允許范圍內(nèi)，對(duì)于同種液體，液體壓強(qiáng)p與液體深度h成正比．分析圖4可知，在誤差允許范圍內(nèi)，對(duì)于同一深度，液體壓強(qiáng)p與液體密度ρ成正比．

3 推導(dǎo)定量規(guī)律

數(shù)據(jù)分析得到液體壓強(qiáng)p與深度h成正比，與液體密度ρ成正比．由此可得出液體壓強(qiáng)p與h、ρ的乘積成正比．接著可以得出關(guān)系式p=kρh式中的k是一個(gè)系數(shù)．以一組數(shù)據(jù)為例，如表中h=0.137 m時(shí)，液體密度ρ水=1 000 kg/m3，此時(shí)壓強(qiáng)約為1 350 Pa，帶入關(guān)系式可以得出k≈10 N/kg．結(jié)合k的數(shù)值，學(xué)生大膽猜想，多半能察覺出這個(gè)系數(shù)或許就是曾經(jīng)學(xué)過常數(shù)g=10 N/kg．再將表中的其他數(shù)據(jù)代入公式p=ρgh，進(jìn)行多次檢驗(yàn)，最終流暢自然、科學(xué)地得出液體壓強(qiáng)公式．

4 結(jié)束語

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置可靠有效，適合課堂演示與分組實(shí)驗(yàn)．作為定性教學(xué)時(shí)，利用數(shù)字壓力計(jì)直接顯示液體壓強(qiáng)大小，現(xiàn)象更直觀，更容易被學(xué)生接受．定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用圖形表達(dá)物理量之間的關(guān)系更加直觀易懂，同時(shí)促進(jìn)了計(jì)算機(jī)教學(xué)在物理教學(xué)中的應(yīng)用．本實(shí)驗(yàn)裝置相較于DIS傳感器成本低廉，實(shí)用性更強(qiáng)．本次實(shí)驗(yàn)僅選用圓柱形容器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，沒有探究容器形狀是否對(duì)液體壓強(qiáng)有影響．今后可以選取更多不同外形的容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而使液體內(nèi)部壓強(qiáng)影響因素的研究更為全面．

物理教學(xué)中有很多微觀的物理現(xiàn)象、抽象的物理概念、生活的前概念認(rèn)知阻礙等，這必將要求在物理教學(xué)中促使物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可視性強(qiáng)，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置的使用在快捷搜集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、顯性化研究物理規(guī)律、定量化建構(gòu)物理概念等方面起著重要的作用．因此教師在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以加大數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置的使用，一方面可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示效果，另一方面可以彌補(bǔ)定量數(shù)據(jù)處理方面的不足，同時(shí)也可以在很大程度上提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力．