摘 要:液體壓強(qiáng)無(wú)法用肉眼直接觀察。感知液體內(nèi)部存在壓強(qiáng)并推導(dǎo)出液體壓強(qiáng)大小計(jì)算公式是液體壓強(qiáng)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)內(nèi)容。本文充分利用橡皮膜的特性,將液體壓強(qiáng)的作用轉(zhuǎn)化為橡皮膜的形變,從而加深學(xué)生對(duì)液體壓強(qiáng)的感性認(rèn)識(shí),并幫助他們從感性認(rèn)識(shí)提升到理性認(rèn)識(shí)層面。
關(guān)鍵詞:橡皮膜;液體壓強(qiáng);轉(zhuǎn)化放大法
液體壓強(qiáng)是初中物理教學(xué)的難點(diǎn),其“難”主要體現(xiàn)在以下幾方面:知識(shí)本身的綜合性和抽象性,學(xué)生頭腦中的錯(cuò)誤前概念。人教版初中物理教材針對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的編排邏輯體系不足,呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置單一。[1,2]本文利用橡皮膜顯化液體壓強(qiáng),將抽象的液體壓強(qiáng)直觀輕化為橡皮膜的形變,使橡皮膜成為液體壓強(qiáng)和微小壓強(qiáng)計(jì)之間的橋梁。同時(shí),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(qiáng)的存在
1.1 液體對(duì)容器的底部和側(cè)壁有壓強(qiáng)
首先,教師以問(wèn)題“容器對(duì)桌面有壓強(qiáng),液體對(duì)容器底部是否也存在壓強(qiáng),如何證明?”導(dǎo)入教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用轉(zhuǎn)化法的思想思考如何使液體對(duì)容器底部的壓強(qiáng)可視化。其次,教師展示實(shí)驗(yàn)裝置(如圖1所示),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。
最后,教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提問(wèn):“你發(fā)現(xiàn)了什么?”橡皮膜的形變直觀地顯化了液體對(duì)容器底部和側(cè)壁存在的壓強(qiáng)。
1.2 液體內(nèi)部存在壓強(qiáng)
演示:將套有橡皮膜的容器放入水中,模擬手放入水中過(guò)程(如圖2所示),學(xué)生通過(guò)觀察橡皮膜的凹陷得出液體內(nèi)部也存在壓強(qiáng)的結(jié)論。
教師向?qū)W生展示一個(gè)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(wèn)題:是否可以在不改變橡皮膜大小的前提下,將液體壓強(qiáng)進(jìn)行二次放大呢?
在實(shí)驗(yàn)中,我們可以觀察到當(dāng)橡皮膜因液體壓強(qiáng)而產(chǎn)生形變時(shí),注射器內(nèi)氣體體積會(huì)變化?;谶@一現(xiàn)象,筆者提出了一個(gè)想法:在注射器的上端加入一段紅色液柱來(lái)放大壓強(qiáng)變化。然而,經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果直接在注射器上端加入紅色液柱,液柱會(huì)因?yàn)橹亓Χ胱⑸淦鲀?nèi)部,難以達(dá)到預(yù)期的視覺(jué)效果。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們決定將紅色液柱放入U(xiǎn)形管內(nèi)。
將套有橡皮膜的注射器外殼通過(guò)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(shí)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(qiáng)已經(jīng)通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)被二次放大,從而使得原本微小的壓強(qiáng)變化變得更容易觀察。
思考:能否對(duì)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(qiáng)大小呢?我們可以在U形管兩端加上刻度,制成實(shí)驗(yàn)室的微小壓強(qiáng)計(jì)。
2. 液體壓強(qiáng)公式
2.1 猜想液體內(nèi)部壓強(qiáng)大小影響因素
教師展示圖4,請(qǐng)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)和圖片猜想“液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小與哪些因素有關(guān)”。學(xué)生通過(guò)觀察圖片能夠猜想液體內(nèi)部壓強(qiáng)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(qiáng)公式推導(dǎo)
液體的壓強(qiáng)跟液體的密度、深度有關(guān),那么液體內(nèi)部某處壓強(qiáng)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(shí)(如圖5所示),內(nèi)外液面有什么特點(diǎn)?
最后,如何利用橡皮膜水平來(lái)計(jì)算液體壓強(qiáng)?
由平衡條件可知,管內(nèi)的水對(duì)橡皮膜施加的力與管外液體對(duì)橡皮膜向上的壓力相等。因此,只要測(cè)出管內(nèi)的水對(duì)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(shí)驗(yàn)
法國(guó)物理學(xué)家布萊士·帕斯卡(Blaise Pascal)通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)播放課前錄制好的帕斯卡裂桶實(shí)驗(yàn)的視頻,學(xué)生可以聽(tīng)到氣球炸裂時(shí)產(chǎn)生的巨大聲響,從而直觀地感受到液體壓強(qiáng)的巨大力量。
在液體壓強(qiáng)這一節(jié)課中,學(xué)生通過(guò)橡皮膜的形變感知液體壓強(qiáng)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(qiáng)計(jì)。在“探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)大小影響因素”時(shí),教師可以利用橡皮膜的形變來(lái)引導(dǎo)學(xué)生猜想液體壓強(qiáng)可能受哪些因素影響。用問(wèn)題“如何讓橡皮膜水平”引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式;再通過(guò)讓氣球炸裂還原帕斯卡裂桶實(shí)驗(yàn)。橡皮膜作為感知液體壓強(qiáng)變化的工具,可以將抽象的壓強(qiáng)概念轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)
[1]王愛(ài)生,包萬(wàn)鳳.初中物理液體壓強(qiáng)教學(xué)難點(diǎn)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(kāi)發(fā)中心.義務(wù)教育教科書(shū) 物理 八年級(jí) 下冊(cè)[M].北京:人民教育出版社,2012:33-36.