用矿泉水瓶演示“液体压强与深度关系”的实验改进

李晓明

(江苏省苏州市相城区春申中学,江苏 苏州 215143)

1 引言

液体内部压强的影响因素是初中物理的重要知识,该知识的掌握有助于后期学习浮力产生的原因。《义务教育物理课程标准(2011年版)》要求学生“通过实验,探究并了解液体压强与哪些因素有关”,这里要求的实验除了可利用U形管压强计,也可以利用生活中的矿泉水瓶来进行探究,苏科版物理八年级下册第84页“WWW”的第3小题可作为参考。

这两个实验方案都使用到了控制变量法和转换法,相比而言,使用U形管压强计的方案,实验现象明显,可探究的影响因素较多,但对器材的操作技能要求较高;而使用矿泉水瓶方案,不仅器材的获取比较方便,制作也很简单,学生在家就可以完成实验。

如图1所示,在空矿泉水瓶的同一水平面扎出两个小孔a、b,再在下面扎出一个小孔c,并将三个小孔用透明胶带封上,然后在瓶中装满水,再将三个小孔打开,将会观察到:有水从三个孔中喷出,a、b两孔水喷出的距离相等,c孔水喷出的距离较远,实验现象表明:(1) 液体对容器侧壁有压强;(2) 在液体内部相同深度处压强相等;(3)液体压强随着深度的增加而增大。

图1

2 实验的不足之处

该实验很好地演示了液体压强与深度和方向的关系,但如果在自制器材时处理不当,不能正确扎好小孔的位置,很有可能会出现不同深度处的两个小孔喷出水的距离相同,甚至出现当小孔所处的深度越深,即接近瓶子的底部时,其喷出水的距离反而较小(图2)。这与我们预期的实验效果要相差很多,到底是什么原因呢?

图2

3 实验改进

图3

这样的改进虽然能够顺利地得到结论,似乎也能说明问题,但其实该实验设计还有不严谨的地方:由平抛运动知识可知,小孔喷出水的距离除了跟喷水速度有关,还跟下落的时间有关,不同位置的小孔,小水柱做平抛运动的时间不一样。为了真正地做到控制变量,我们可以在两只矿泉水瓶的相同位置扎个小孔,然后向两只矿泉水瓶里装进不同深度的水,比较两小孔的喷水距离(图4)。

图4

笔者在亲自实践后又发现了一个问题：由于小孔单位时间喷水流量较大,液面下降较快,所以喷水距离在快速变小,不方便同时观察和对比。为了减慢小孔的喷水流速,笔者又尝试把小孔扎得尽量细小些,实践之后发现,虽然液面下降变慢了,但由于空气阻力的原因,小孔喷出小水柱一段距离后变成散射的雾状,落到桌面上的范围变大,更不利于比较喷水距离。后来经过多次的尝试和改进,都没有获得理想的预期效果。

笔者在医院看到输液瓶能够以恒定速度对患者输液,受到启发后,对该实验又进行了一次改进:如图5所示，在矿泉水瓶上下距离合适的位置分别扎两个小孔a、c,同样用透明胶带封住小孔,向矿泉水瓶里注水,在注满之前留有一点空隙,然后盖紧盖子,先撕开c孔的透明胶带,发现没有水喷出,再撕开a孔的透明胶带,发现a孔有少量水“渗出”,并伴有气泡浮向水面;c孔在液面下降至a孔前喷水距离保持不变,而液面下降至a孔后,喷水距离才逐渐变小。仔细分析,不难理解这一现象的原因:撕开a孔透明胶带,因为大气压的原因而“没有水喷出”,随后撕开c孔透明胶带的瞬间,a、c两孔均受到外界大气压p0的作用,同时也受到瓶内液体压强p液和液面上方少量气体压强p内的合作用,且有p液+p内>p0,所以a孔有少量的水流出,水一旦流出,瓶内的液面就会下降,液面上方气体压强p内和液体压强p液随之变小,a孔首先达到p液a+p内=p0的条件,而c孔仍然满足p液c+p内>p0,所以c孔仍然有水喷出,此时液面会继续下降,从而a孔会出现p液a+p内

图5

3 心得体会

我们不能一步到位地用设计好的器材去演示“液体压强与深度的关系”,应依托教材现有的资源,通过实践、分析、评估和讨论,循序渐进地去发现、解决问题,切实培养学生的核心素养。对于最终改进的器材,我们还需去理解a孔处的水平面才相当于真正的水面,保持c孔的位置不变,改变a孔的位置,即改变了c孔所处的液体深度。

用矿泉水瓶去演示液体压强与深度的关系,会让学生感觉到物理离生活很近,容易激发学生的学习兴趣和探究热情,我们要保护和维持学生的兴趣和热情,切不能让物理实验停留在现象表面,并由这种现象简单粗暴地得到我们想要的实验结论。

物理作为一门以实验为主的科学,《义务教育物理课程标准(2011年版)》提出了“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念,这不仅要求我们在教学中要贴近学生的生活,而且要把掌握的物理基础知识和技能应用于实践、生活。