初中物理液体压强教学难点的形成及突破

王爱生 包万凤

摘      要

初中物理液体压强教学难点形成的原因有：知识本身的抽象性，学生头脑中错误的前概念，呈现的实验装置单一，教科书编排的逻辑体系不足等。对此，从符合初中学生的思维习惯和认知规律的角度，设计了3個自创性实验，使学生经历了体验、丰富了经验，从而有效地突破了液体压强的教学难点。

关 键 词 初中物理  液体压强  自创性实验  实验教学

引用格式 王爱生，包万凤.初中物理液体压强教学难点的形成及突破[J].教学与管理，2022（28）：57-60.

液体压强是义务教育课程标准中认知层次达到理解要求的4个知识点之一，可见液体压强是初中物理教学的重点。从以往的教学实践来看，液体压强教学也是初中物理教学的一个难点[1][2]。为此，我们探寻了液体压强形成教学难点的原因，同时从符合初中学生的思维习惯和认知规律的角度设计了3个自创性实验，来让学生经历体验，丰富表象，形成经验，提升素养，从而有效地突破了液体压强教学的难点。

一、液体压强教学难点的形成原因

1.知识本身的综合性和抽象性

液体压强的综合性是指液体压强的学习和理解过程中涉及到的物理思想因素，包括转换的思想（液体压强大小转化为橡皮膜的凹陷程度和U型管中液柱的高度差），等效代替的思想（深入水中静止的平底试管底部受到的压强等效于液体产生的压强），理想模型（计算液体压强公式时选取理想的圆柱形液柱）。涉及到的知识点有：力的作用效果、密度、质量、体积、重力、深度、面积、压力和压强、二力平衡等，甚至波及到玻意耳—马略特定律（有助于理解U型压强计的原理）以及大气压强（有助于明晰液体压强和液体内部压强）[3]。这些知识对刚刚接触物理的初二孩子来说足以眼花缭乱。而形成液体压强抽象的主要原因有：初中生不了解它的起因[4]，对液体的流动性和液体的压缩性认识不足[5]，加之液体压强知识链条上没有“帕斯卡定律”作为认知基础的支撑，学生在逻辑思维上很难深入透彻地理解液体对容器壁有压强，液体内部向各个方向都有压强且同一深度液体压强相等。

2.学生头脑中错误的前概念

“学生在学习新的概念时，一定会受到前概念的影响”[6]。学生在学习液体压强之前，头脑中已经有了力、压力与压强等知识和经验，这个经验不自觉地迁移到生活和学习中，再与液体的质量、重力、体积、密度等物理量相结合，很容易把固体压强的观念套用于液体压强的学习，形成一些前概念。如液体的质量越大，液体的压强越大;液体也会等大地传递力;装水的容器底面积越大，压强也就越大。这些错误的前概念在思维上会阻碍科学概念的建构和深入理解。

3.实验装置单一而实验原理复杂

在当前使用的各种版本的义务教育初中物理教科书中，关于液体压强教学主要编排了微小压强计1个实验装置。该装置在探究液体内部有压强、液体内部向各个方向都有压强，以及液体内部同一深度压强相等的知识点的教学上是特别有成效的。可以毫不夸张地说，到目前为止没有一个实验装置可以优越于它的教学效果，我想这也是所有教科书中都编入该实验装置的缘由。但我曾经问过很多学生和老师微小压强的实验原理是什么，学生几乎说不出原理是什么，而老师也不能完全说得很清楚。这是因为该实验装置从研究对象液体作用于实验源的橡皮膜上，再通过“空气传递”，最后使实验效果显示在U形玻璃管中左右液柱差上。实现上述过程要经历如下3次转换：水施力使橡皮膜形变（力使物体发生形变）→在橡胶管内封闭的空气体积减少压强增大（玻意耳—马略特定律）→增大压强的空气柱推动有色液柱一端下降，另一端上升（力可以改变物体的运动状态）。其中玻意耳—马略特定律的内容，初中物理还没有涉及到，因此从实验装置的原理上来看有些复杂。

4.教科书中液体压强编排的逻辑体系不足

在当前使用的各种版本的义务教育初中物理教科书中，除沪科版外[7]，在编排液体压强内容时均缺失帕斯卡定律的内容。通过教学实践来看，没有编排帕斯卡定律导致思维逻辑上出现断层与缺漏。从认知逻辑角度来看，帕斯卡定律是正确理解液体对容器壁周围有压强、液体内部有压强、液体内部向各个方向都有压强，以及液体压强可以等大地传递等知识的基础和关键。因此，液体压强知识的学习总是在思维认知上有断层，学生不能深入透彻地理解。从学科逻辑的角度来看，帕斯卡定律是组成流体力学系统各个知识点串联起来而形成一定逻辑结构所不可或缺的知识点。

二、突破液体压强教学难点的策略

1.以自创性实验获得的丰富经验弥补抽象知识学习的不足

当前使用的各种版本的义务教育初中物理教科书，包括微小压强计在内，整个液体压强教学最多编排了3个实验装置（人教社版编排了2个实验装置）。教科书中实验内容偏少地编排呈现液体压强知识，很难实现课程标准所要求的通过实验探究经历体验，形成经验，建立有助于思维的直观表象。如液体压强公式P=ρgh都是“空降”一个理想的直液柱模型来理论推导。对多数抽象思维能力和理论推理能力不足的学生来说，这个从液体中想象划分出来的假想的“直液柱”很难理解，因为日常生活中学生没有这一方面的经验作为思维的支撑，加之初二学生刚刚适应从具体到抽象的教学过程。为此，我们自制机械压强计来直观呈现现象，丰富具体表象，从而提供符合学生认知规律的思维变化过程：感性上的具体→抽象的规定→思维中的具体。

（1）实验装置的结构

如图1所示，A是将方形透明饮料瓶的上部和下部去掉后得到的一个长方体容器;B是用螺丝与方形透明饮料瓶固定在一起的支点;C是硬质塑料剪成的针状指针，用来显示液体压强大小;D是用两面胶粘贴在方形透明的饮料瓶上的刻度盘，用来标度液体压强大小;E是“U”型的金属细丝，一端与指针C相连，另一端与玩具气球橡胶膜F相连，为了更好地反映橡皮膜形变程度，连接时将橡胶皮这端的金属丝头弯曲成小圆后，再用透明胶布粘接。

（2）实验过程的说明

①用手指轻轻地向上挤压橡皮膜，学生会观察到受力后发生形变的橡皮膜带动金属丝使指针发生偏转，压力越大指针偏转得越明显，从而让学生认识和理解该实验装置的原理。

②用手握住该装置的上部，将橡皮膜那端朝下直接压入水中，从饮料瓶贴纸刻度尺上读出浸入液体中的深度越大，指针所指的刻度值越大。这说明在液体中深度越大，压强越大。再把该装置分别放入与水一样深度的盐水中，学生可观察到指针所指的刻度值比水中的刻度值要大一些。从而说明深度相同时，液体的密度越大，液体的压强就越大。

③往该实验装置的筒里面加适量的水，会观察到筒中形成的“直液柱”所产生的压力，使橡皮膜发生形变带动指针偏转。说明橡皮膜受到水柱向下的压力。再把该装置慢慢地放入水中，橡皮膜受到水向上的压力凸起程度减小，从而观察到指针示数在变小。当该装置进入水中的深度与筒中的“直液柱”的深度相平时，观察到指针恢复到没有加水的平衡位置，说明“直液柱”向下的压力与向上的压力相等。

我们通过实验创设情境提供了具体、真实、直观的“直液柱”这个理想模型的原型。这有助于学生头脑中建构“直液柱”的表象，为学生的思维和推导液体压强公式给予了最基本的起点经验。教师再从二力平衡的角度对橡皮膜作图进行受力分析，使学生明确“直液柱”产生的压强与橡皮膜所在位置液体产生的向上的压强相等。此时再进行理论推导，液体压强公式P=ρgh便水到渠成，从而避免了学生“无缘无故”地出现“看不见，摸不到”直液柱的困惑和不解。

2.利用自创性实验创设的认知冲突纠正错误前概念

对于液体对容器壁有压强、液体内部向各个方向都有压强，以及液体压强与深度和密度等有关知识的学习，一般来说学生还是比较容易接受的。然而对知识点“液体压强与液体的质量和体积无关”的认知，学生具有“液体的质量越大，液体的压强越大”的错误前概念。因此，利用自创性实验现象的事实与学生头脑中原有认知的差异，引发认知上的冲突，使学生在经历和实践中自我觉醒，在反思和内化过程中重构认知结构，从而实现知识的顺应学习。

（1）实验装置的结构

实验装置如图2所示。A是透明饮料瓶，在其下部用自行车内胎上的气门空心螺丝固定出一个接口;B是水;C是娃娃营养快线的瓶盖（比其他的饮料瓶瓶盖稍大些），在盖子圆心处用自行车内胎上的气门空心螺丝固定成一个接口，然后在瓶盖C的开口面用橡胶膜包裹住，并用细线系好（保证气密性好），最后将瓶盖C用软铁皮半包后，用螺丝固定在刻度盘F上;D是约1m长的乳胶管;E是用螺丝固定在刻度盘F上的指针，用两面胶将指针E与橡皮膜粘牢，实现指针随橡皮膜变化而发生偏转。由C、E、F组成了一个液体压强计[8]。

（2）实验过程的说明

①一只手拿着压强计的刻度板F，另一只手往饮料瓶中倒入水，学生会观察到压强计上的橡皮膜凸起，观察并记录指针所指的刻度值的位置（或数值），从而说明液体对容器壁有压强。

②用手举高有水的透明饮料瓶A，学生会观察到橡皮膜凸起，指针的示数越来越大。反之，学生会观察到橡皮膜凹陷，指针的示数越来越小。从而直观地说明液体的压强与液体的质量无关，同时也说明了液体的压强随着深度的增加而增大。

该实验在保证液体质量不变（饮料瓶中水的质量不变）的前提下，通过提升饮料瓶的高度来改变液体的深度，从而影响液体压强的大小，使学生更加信服，同时也更深刻地理解液体深度的内涵。

3.利用自创性实验的创新性弥补教科书编写的不足

帕斯卡定律的学习有助于液体压强知识之间的衔接，使知识脉络更清晰，更有助于学生深刻地理解液体内部向各个方向有压强，液体对周围的容器壁有压强，液体同一深度压强相等以及目前广泛应用于工业的液压传递等知识。因此，我们认为有必要教授液体压强的传递规律。

（1）实验装置的结构

实验装置如图3所示。A是500ml的玻璃广口瓶（也可是玻璃罐头瓶）;B是加入广口瓶中的水;C是包裹在饮料瓶瓶盖开口面上的橡胶膜，用于感受广口瓶中液体压强大小的探头;D是用于连接玻璃管的乳胶管，主要便于连接不同方面的探头;E是通过橡胶塞子的“U”型玻璃管;F是塞在广口瓶上的橡胶塞子，用来密闭广口瓶中水;G是夹在乳胶管上的止水夹，用于控制广口瓶中水的进出;H是乳胶管;I是“U”型玻璃管中的液柱，不仅用来封闭由C、E、I形成一个封闭的气体系统，还通过液柱差来显示广口瓶中橡皮膜受水传递压强的大小，从而构成一个微小压强计;J是橡胶膜向下深度不同的微小压强计;K是橡胶膜向上深度不同的微小压强计。

（2）实验过程的说明

①拔掉带有微小压强计的广口瓶上的橡胶塞子F，小心放置于桌面上。

②往广口瓶A中倒入水至瓶口。

③将夹在乳胶管H上的止水夹G夹在玻璃管上（或取下），然后将橡胶塞子塞紧在广口瓶上，广口瓶中多余的水从乳胶管H中流出，再把止水夹夹在乳胶管H上，这样就在广口瓶中获得了密闭的充满的液体系统。

④医用注射器中吸入适量的水，再连接上细软塑料管（用打吊瓶的塑料细管中连接针头的部分即可）后伸进“U”型玻璃管，推动注射器的活塞使水进入“U”型玻璃管中形成“U”型液柱。若形成的液柱左边高于右边液柱不相平时，将注射器的细管伸过左边的液柱表面，吸出些气体即可实现相平。最后达到3个微小压强计中的液柱相平。

⑤注射器中吸满水后与乳胶管H相连（注射器图3中未画出）。将止水夹G夹在玻璃管上，推动注射器的活塞作用于水，使水产生的压强传递施加于密闭的广口瓶中的水，从而使广口瓶中的微小压强计的探头受到大小不变传递的液体压强。此时学生会观察到3个微小液体压强计中的“U”型管液柱差相同。以上现象直观地说明：加在密闭液体上的压强大小不变地向各个方面传递。

该实验装置在密闭液体上的压强能够由液体以相同的大小向各个方向传递，弥补了以往我国教科书中实验装置以密闭的水和空气共同传递压强（一直以来没有得到解决—）的不足[9]。若想得到定量的传递压强的大小值，可在注射器（最好是玻璃注射器摩擦小）的活塞上放置已知质量的砝码，通过测量注射器活塞的面积，利用P=F/S可计算出活塞产生的压强大小。再用刻度尺测量出“U”管中液柱差深度，通过P=ρgh计算出产生的压强值相等得到验证。

参考文献

[1] 惠恩玲，张锦国，拾景忠.谈谈对液体压强的深层理解[J].物理教学，2015（08）：34-36.

[2] 李成超.浅析初中物理液体压强教学过程中常见问题及对策[J].新课程，2020（49）：119.

[3] 何敏，聂颖，肖化，等.中美中学物理教材对比与分析——以“液体压强”为例[J].物理与工程，2021（02）：46-53.

[4] 陈红，赵力红，徐建平.提示科学本质的实验及教学运用（下）[J].中学物理教与学，2010（04）：55-58.

[5] 惠恩玲，张锦国，拾景忠.谈谈对液体压强的深层理解[J].物理教学，2015（08）：34-36.

[6] 吴振南，许林，彭朝阳，等.自制教具探究“液体压强与尝试的关系”[J].中学物理教学参考，2021（03）：51-52.

[7] 义务教育物理课程标准试验教科书编写组.义务教育教科书物理八年级[M].上海：上海科学技术出版社，2012：148-162.

[8] 王愛生.“恒质式”液体压强演示器”[J].物理通报，2006（11）：56-57.

[9] 金之钢.帕斯卡定律的演示实验[J].物理教学，1986（10）：16-18+7.

【责任编辑  孙晓雯】