利用壓差表改進(jìn)液體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐和思考

摘 要：利用壓差表結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)液體壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)原先實(shí)驗(yàn)中存在的可視性不強(qiáng)、誤差較大等問題，可以從理論研究入手，找到誤差產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)措施來減小誤差。對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，可以使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，便于利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)液體壓強(qiáng)進(jìn)行定量分析。本文根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐情況探索出了在初中物理教學(xué)中開展DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）數(shù)字實(shí)驗(yàn)的有效策略。

關(guān)鍵詞：壓差表；液體壓強(qiáng)；實(shí)踐和思考

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：“教師應(yīng)依據(jù)學(xué)生發(fā)展階段、教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)、教學(xué)資源等的情況，靈活選用教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的有效達(dá)成?！保?］在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)充分利用信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，合理運(yùn)用教學(xué)設(shè)備，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的育人功能，達(dá)成提高教學(xué)效率、養(yǎng)成學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

在現(xiàn)階段，將傳感器技術(shù)應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)取得了一定的成效。例如，利用DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地采集數(shù)據(jù)，這使學(xué)生能夠從傳統(tǒng)的定性分析升級(jí)到更精確的定量分析。通過將一些不易觀察的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可分析和可見的數(shù)據(jù)，學(xué)生可以更深入地理解并建立正確的物理觀念。同時(shí)，傳感器還可以捕捉和處理暫態(tài)現(xiàn)象，幫助學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象以及物理過程形成正確和完整的認(rèn)識(shí)。本文就利用數(shù)字壓差表改進(jìn)“研究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)，談?wù)勗诶脗鞲衅鲗?shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革和創(chuàng)新實(shí)踐過程中的收獲和思考。

1 問題提出“研究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)是人教版物理八年級(jí)下冊(cè)第九章第2節(jié)的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。教材采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置（微小壓強(qiáng)計(jì)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。［2］將蒙有橡皮膜的探頭伸入液體中，探頭通過乳膠管與U形管一端相連，我們可以通過觀察U形管左右兩液面高度差知道探頭所受壓強(qiáng)的大小。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行改進(jìn)（如表1所示）。

2 定性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和優(yōu)化

2.1 可操作性改進(jìn)和優(yōu)化

在物理實(shí)驗(yàn)中引入DIS的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為我們的改進(jìn)和優(yōu)化提供了方向。［3］數(shù)顯壓差表和微小壓強(qiáng)計(jì)的工作原理相似，其安裝簡(jiǎn)單，操作方便，且能夠準(zhǔn)確讀出壓強(qiáng)值。將數(shù)顯壓差表及固定裝置和旋轉(zhuǎn)探頭用乳膠管連接起來（如圖2所示），可以按照課本上的實(shí)驗(yàn)步驟探究液體壓強(qiáng)與深度、液體密度、方向的關(guān)系，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，還可以探究液體壓強(qiáng)與液體質(zhì)量、容器形狀的關(guān)系。

2.2 可視性的改進(jìn)和優(yōu)化

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，無論是傳統(tǒng)的微小壓強(qiáng)計(jì)還是數(shù)顯壓差表都存在可視性較差的情況。為了發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用，教師可根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況開展實(shí)驗(yàn)。因滿足實(shí)驗(yàn)要求的普通數(shù)顯壓差表價(jià)格在一百多元左右，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室物理器材如果能滿足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)要求，可購置相應(yīng)組數(shù)的壓差表，讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。如學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材只能進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，可借助多媒體設(shè)備和手機(jī)實(shí)時(shí)投屏，將實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)圖像實(shí)時(shí)共享到一體機(jī)上。

3 定量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和優(yōu)化

3.1 實(shí)驗(yàn)誤差分析

對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)借助壓差表采集到的數(shù)據(jù)還是有一定的誤差（如表3常規(guī)部分所示）。

為了找到誤差產(chǎn)生的原因，首先要弄清楚壓差表測(cè)量液體壓強(qiáng)的工作原理。由圖2可知，探頭處受到大氣壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)和橡皮膜發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的壓強(qiáng)，這三個(gè)壓強(qiáng)通過乳膠管中封閉的空氣大小不變地傳給壓差表正導(dǎo)氣口，壓差表負(fù)導(dǎo)氣口受到的是大氣壓強(qiáng)，則壓差表顯示的是正、負(fù)導(dǎo)氣口的壓強(qiáng)差，也就是液體壓強(qiáng)和附加壓強(qiáng)之和。壓差表測(cè)量液體壓強(qiáng)時(shí)的誤差大小取決于附加壓強(qiáng)的大小。球形液面內(nèi)外的壓強(qiáng)差可以用p＝2αR計(jì)算，其中α為表面張力系數(shù)，R為球形液面半徑，液面為凹液面時(shí)，上述壓強(qiáng)為負(fù)值。［4］由此可見，使用常規(guī)微小壓強(qiáng)計(jì)或者使用壓差表利用帶橡皮膜的探頭測(cè)量液體壓強(qiáng)時(shí)，由于橡皮膜彈性形變會(huì)產(chǎn)生附加壓強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)會(huì)存在誤差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差大小與液體表面張力系數(shù)和橡皮膜凹陷程度有關(guān)，在液體表面張力一定時(shí)，液體深度越深，橡皮膜彈性形變程度越大，球面半徑越大，附加壓強(qiáng)越小，實(shí)驗(yàn)誤差就越小。從表3的數(shù)據(jù)，我們可以驗(yàn)證該推理。所以只要想辦法減小表面張力系數(shù)、增大橡皮膜的彈性形變程度，就可以減小這個(gè)附加壓強(qiáng)，從而減小實(shí)驗(yàn)的誤差。

3.2 減小實(shí)驗(yàn)誤差的研究

有學(xué)者在對(duì)阿基米德原理實(shí)驗(yàn)的誤差分析和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中選擇加入活性劑來減小液體表面張力，達(dá)到減小實(shí)驗(yàn)誤差的效果。［5］在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇用洗發(fā)精來減小表面張力。為減小洗發(fā)精的泡沫對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，將洗發(fā)精逐次滴入玻璃水槽的水中后，需要用玻璃棒輕輕攪動(dòng)。多次實(shí)驗(yàn)得到如表3所示的改進(jìn)前后對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：通過實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)誤差大大減小了。數(shù)據(jù)中增加值也驗(yàn)證了隨著深度增加，橡皮膜形變量增加，附加壓強(qiáng)在不斷減小。

3.3 實(shí)驗(yàn)的再優(yōu)化

為進(jìn)一步減小誤差，測(cè)量出更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)揮探究實(shí)驗(yàn)的作用，便于學(xué)生對(duì)液體壓強(qiáng)進(jìn)行定量分析，并為推導(dǎo)出液體壓強(qiáng)公式p＝ρgh提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)支撐，我們結(jié)合陳怡、田川、董彥等人的實(shí)踐，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材及操作做了如下改進(jìn)和優(yōu)化。［6］

3.3.1 保留探頭但去掉橡皮膜

由于實(shí)驗(yàn)誤差主要是橡皮膜發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)，我們?cè)囍苯訉⑷槟z管伸入玻璃水槽中的液體中，從壓差表上收集的數(shù)據(jù)如表4所示。

從上面的數(shù)據(jù)我們看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近且略大于理論值。這說明去掉橡皮膜可以不受附加壓強(qiáng)的影響，使實(shí)驗(yàn)趨于科學(xué)合理。但是直接將乳膠管伸入液體中不便于讀出乳膠管的深度且不容易固定，同時(shí)手的抖動(dòng)也會(huì)使數(shù)據(jù)有波動(dòng)，最后我們將固定裝置和旋轉(zhuǎn)探頭與數(shù)顯壓差表用乳膠管連接起來，并且去掉探頭上的橡皮膜進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

3.3.2 探頭垂直伸入水中

經(jīng)過實(shí)踐和分析，我們發(fā)現(xiàn)將探頭向下平行于水面伸入水中時(shí)，探頭內(nèi)的空氣會(huì)受壓形成空氣膜，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。另外，將探頭向上平行于水面伸入水中時(shí)，進(jìn)入水面瞬間乳膠管中有空氣逸出，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。因此，我們先在水中滴入洗發(fā)精并緩慢攪拌，確保不起泡，然后將探頭垂直緩慢伸入水中，讓水逐漸充滿探頭。

3.3.3 對(duì)探頭進(jìn)行改裝

由于探究同一深度液體向各個(gè)方向的壓強(qiáng)關(guān)系時(shí)，探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)是以蒙橡皮膜處為軸。而現(xiàn)在去掉橡皮膜后，探究的是探頭接口處液體壓強(qiáng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，接口處深度發(fā)生了變化，壓差表測(cè)得的數(shù)據(jù)差距較大。為了解決這個(gè)問題，我們將探頭接口處和蒙橡皮膜處的塑料都切割下來，再將探頭接口處用膠粘接在蒙橡皮膜處，確保探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，探究的是同一深度液體的壓強(qiáng)。經(jīng)過我們多次實(shí)驗(yàn)，采集到如表5所示的數(shù)據(jù)。

利用表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師可以指導(dǎo)學(xué)生使用坐標(biāo)紙畫出三種液體的壓強(qiáng)隨深度變化的圖像，引導(dǎo)學(xué)生分析出：①同種液體的壓強(qiáng)與深度成正比，例如水的壓強(qiáng)與深度的比值約為9873N/m3；②不同種類的液體在同一深度的壓強(qiáng)與液體的密度成正比。上述探究可為下一步建立液柱模型分析液體壓強(qiáng)計(jì)算公式提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語通過本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和優(yōu)化，我們找到了初中物理開展DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)的策略。

利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材，教師通過找到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)的結(jié)合點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)?，F(xiàn)行人教版初中物理教材經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，是一套適合我國(guó)初中物理教學(xué)實(shí)際的成熟教材。教材編排體系符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律，多數(shù)教師也適應(yīng)教材中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)思路。教師開展DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能排斥現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)，應(yīng)基于現(xiàn)有教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，讓實(shí)驗(yàn)為教書育人服務(wù)，真正發(fā)揮其作用。

結(jié)合學(xué)生的知識(shí)水平，教師充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，探索DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)資源的研發(fā)是非常重要的?，F(xiàn)有的DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要分為專業(yè)數(shù)字探究實(shí)驗(yàn)設(shè)施和生活數(shù)顯儀器儀表兩類。教師在選擇DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，應(yīng)考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平，以確保實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)和使用能夠與學(xué)生的實(shí)際能力相匹配。在初中階段，特別是對(duì)于八年級(jí)初中物理，教師要多運(yùn)用數(shù)顯式儀器儀表開展DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如，數(shù)顯式測(cè)力計(jì)、溫度濕度計(jì)等可以幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)，尋找定性的物理規(guī)律。對(duì)于九年級(jí)初中物理，教師可以嘗試運(yùn)用專業(yè)傳感器、數(shù)據(jù)采集器和專業(yè)處理軟件開展教學(xué)。例如，Origin軟件等可以幫助學(xué)生開展定量的研究，培養(yǎng)理性思維。

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