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        橡皮膜在液體壓強教學(xué)中的妙用

        2024-09-12 00:00:00顏羅麗
        物理之友 2024年4期

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

        關(guān)鍵詞:橡皮膜;液體壓強;轉(zhuǎn)化放大法

        液體壓強是初中物理教學(xué)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(xué)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(xué)手段不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容,還始終圍繞著本節(jié)課的核心內(nèi)容。

        1 液體壓強的存在

        1.1 液體對容器的底部和側(cè)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(dǎo)入教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生運用轉(zhuǎn)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(jìn)行實驗操作。

        最后,教師根據(jù)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(cè)壁存在的壓強。

        1.2 液體內(nèi)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(xué)生通過觀察橡皮膜的凹陷得出液體內(nèi)部也存在壓強的結(jié)論。

        教師向?qū)W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(jìn)行二次放大呢?

        在實驗中,我們可以觀察到當(dāng)橡皮膜因液體壓強而產(chǎn)生形變時,注射器內(nèi)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(jīng)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(nèi)部,難以達(dá)到預(yù)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(nèi)。

        將套有橡皮膜的注射器外殼通過細(xì)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(jīng)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(jìn)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(nèi)部壓強大小影響因素

        教師展示圖4,請學(xué)生結(jié)合實驗和圖片猜想“液體內(nèi)部壓強的大小與哪些因素有關(guān)”。學(xué)生通過觀察圖片能夠猜想液體內(nèi)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(guān)。

        2.2 液體壓強公式推導(dǎo)

        液體的壓強跟液體的密度、深度有關(guān),那么液體內(nèi)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(nèi)加水,橡皮膜水平時(如圖5所示),內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(xué)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(xué)生可以聽到氣球炸裂時產(chǎn)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(xué)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化放大并借此原理得到了微小壓強計。在“探究液體內(nèi)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(dǎo)學(xué)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(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)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(zhuǎn)化為具體的實驗現(xiàn)象。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王愛生,包萬鳳.初中物理液體壓強教學(xué)難點的形成及突破[J].教學(xué)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(wù)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.

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