橡皮膜在液體壓強教學中的妙用

摘 要：液體壓強無法用肉眼直接觀察。感知液體內部存在壓強并推導出液體壓強大小計算公式是液體壓強學習的難點內容。本文充分利用橡皮膜的特性，將液體壓強的作用轉化為橡皮膜的形變，從而加深學生對液體壓強的感性認識，并幫助他們從感性認識提升到理性認識層面。

關鍵詞：橡皮膜；液體壓強；轉化放大法

液體壓強是初中物理教學的難點，其“難”主要體現(xiàn)在以下幾方面：知識本身的綜合性和抽象性，學生頭腦中的錯誤前概念。人教版初中物理教材針對該知識點的編排邏輯體系不足，呈現(xiàn)的實驗裝置單一。［1，2］本文利用橡皮膜顯化液體壓強，將抽象的液體壓強直觀輕化為橡皮膜的形變，使橡皮膜成為液體壓強和微小壓強計之間的橋梁。同時，多樣化的教學手段不僅豐富了教學內容，還始終圍繞著本節(jié)課的核心內容。

1 液體壓強的存在

1.1 液體對容器的底部和側壁有壓強

首先，教師以問題“容器對桌面有壓強，液體對容器底部是否也存在壓強，如何證明？”導入教學，引導學生運用轉化法的思想思考如何使液體對容器底部的壓強可視化。其次，教師展示實驗裝置（如圖1所示），進行實驗操作。

最后，教師根據實驗現(xiàn)象提問：“你發(fā)現(xiàn)了什么？”橡皮膜的形變直觀地顯化了液體對容器底部和側壁存在的壓強。

1.2 液體內部存在壓強

演示：將套有橡皮膜的容器放入水中，模擬手放入水中過程（如圖2所示），學生通過觀察橡皮膜的凹陷得出液體內部也存在壓強的結論。

教師向學生展示一個套在注射器外殼上的小橡皮膜（比圖2中的小很多），并將其放入水中，可以觀察到橡皮膜發(fā)生形變，但形變程度并不明顯。

提出問題：是否可以在不改變橡皮膜大小的前提下，將液體壓強進行二次放大呢？

在實驗中，我們可以觀察到當橡皮膜因液體壓強而產生形變時，注射器內氣體體積會變化?；谶@一現(xiàn)象，筆者提出了一個想法：在注射器的上端加入一段紅色液柱來放大壓強變化。然而，經實驗發(fā)現(xiàn)，如果直接在注射器上端加入紅色液柱，液柱會因為重力而滑入注射器內部，難以達到預期的視覺效果。為了解決這個問題，我們決定將紅色液柱放入U形管內。

將套有橡皮膜的注射器外殼通過細管與一段U形紅色液柱連接，然后將注射器放入水中（如圖3所示），此時U形管兩邊的液面出現(xiàn)了明顯的高度差。這一現(xiàn)象表明，液體的壓強已經通過這個系統(tǒng)被二次放大，從而使得原本微小的壓強變化變得更容易觀察。

思考：能否對該裝置進一步優(yōu)化，使其能夠比較出不同情況下的液體壓強大小呢？我們可以在U形管兩端加上刻度，制成實驗室的微小壓強計。

2. 液體壓強公式

2.1 猜想液體內部壓強大小影響因素

教師展示圖4，請學生結合實驗和圖片猜想“液體內部壓強的大小與哪些因素有關”。學生通過觀察圖片能夠猜想液體內部壓強大小可能與液體深度、液體密度、液體重力等因素有關。

2.2 液體壓強公式推導

液體的壓強跟液體的密度、深度有關，那么液體內部某處壓強的大小如何確定呢？

首先，將套有橡皮膜的塑料桶伸入水中，怎樣才能使橡皮膜保持水平？

其次，往塑料桶內加水，橡皮膜水平時（如圖5所示），內外液面有什么特點？

最后，如何利用橡皮膜水平來計算液體壓強？

由平衡條件可知，管內的水對橡皮膜施加的力與管外液體對橡皮膜向上的壓力相等。因此，只要測出管內的水對橡皮膜施加的力就能知道管外液體向上的壓力。

3 帕斯卡裂桶實驗

法國物理學家布萊士·帕斯卡（Blaise Pascal）通過實驗展示了用幾杯水就可以使裝滿水的桶炸裂這一現(xiàn)象；同樣地，我們也可以用幾杯水讓裝滿水的氣球炸裂。通過播放課前錄制好的帕斯卡裂桶實驗的視頻，學生可以聽到氣球炸裂時產生的巨大聲響，從而直觀地感受到液體壓強的巨大力量。

在液體壓強這一節(jié)課中，學生通過橡皮膜的形變感知液體壓強的存在，將橡皮膜的形變進一步轉化放大并借此原理得到了微小壓強計。在“探究液體內部壓強大小影響因素”時，教師可以利用橡皮膜的形變來引導學生猜想液體壓強可能受哪些因素影響。用問題“如何讓橡皮膜水平”引導學生推導出液體壓強的計算公式；再通過讓氣球炸裂還原帕斯卡裂桶實驗。橡皮膜作為感知液體壓強變化的工具，可以將抽象的壓強概念轉化為具體的實驗現(xiàn)象。

參考文獻

［1］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．

［2］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書 物理 八年級 下冊［Ｍ］.北京：人民教育出版社，2012：33-36．