定性定量探究液体内部压强的实验装置*

葛兴烁 李 强

(石家庄市第四十八中学 河北 石家庄 050024)

纪登辉

(石家庄学院物理学院 河北 石家庄 050024)

液体压强的内容是学生学习浮力内容的基础[1]．在教学过程中，先利用U形管压强计定性探究液体内部压强与液体密度和深度的关系．最后，通过理论推导直接给出计算液体内部压强的公式．从定性研究到直接给出计算公式这一过程中，对学生来说显得非常突兀和不自然．为了解决这一问题，曾有学者利用数显技术，对所测数据，进行分析得出液体内部压强与液体密度和深度的关系[2-5]．但这些实验器材，要么成本太高，难以推广．要么数据测量方法困难，数据准确性难以保证．为把探究液体内部压强实验拓展为既可定性也可以方便定量的实验，进行了相应设计．

1 建立实验模型

液体压强p=ρgh表达了液体产生压强与液体密度、液体深度、g的关系．要想确立这个关系，就必须利用合适的仪器，测量出4个物理量，利用数学知识进行数据分析，得出各物理量之间的关系．笔者结合传统的液体压强计的设计原理，将GM510手持式数字压力计与原装置中的圆盒通过橡皮管相连，就能组成一个新的实验装置，如图1所示．

图1 实验装置图

组合装置的实验原理与传统U形管压强计原理类似，如图2所示．数字压力计的左端与大气连接，右端通过软管连接圆盒，将圆盒竖直插入水中一定深度处，此时橡皮膜受到的压强p=p0+ρgh．根据帕斯卡定律，橡皮膜将压强通过封闭在橡皮管中的气体，传递给数字压力计．因此，软管中的气压为p0+ρgh．数字压力计此时显示的数值就是左右两端的压强差，即ρgh．利用此装置便能测量出液体内部压强的大小．

图2 实验装置原理

2 实验探究

2.1 定性探究液体压强与液体深度和密度的关系

实验步骤：

(1) 把实验装置放置右水平桌面上，将橡皮管与压力计的接头连接．未深入液体时，屏幕示数显示为0 kPa (如果不是0，就需要通过校零按钮，使其归零)；

(2) 将圆盒慢慢深入液体中，待示数稳定后，记录此时对应深度h及液体压强p大小；

(3)改变深入液体的深度，再次实验，记录结果数据如表1；

表1 利用水(1.0 g/cm3)探究液体压强与深度的关系

(4) 换用不同种类的液体，重复上述3个步骤，并记录实验数据如表2和表3．

表2 利用食盐水1(1.04 g/cm3)探究液体压强与深度的关系

表3 利用食盐水2(1.1 g/cm3)探究液体压强与深度的关系

分析表格中的数据，可以得出结论：在液体密度一定时，深度越深，压强越大．同时，在深度相同时，液体密度越大，压强越大．

2.2 定性探究液体压强与液体深度和密度的关系

利用Excel软件对上述3个表格中的数据进行处理分析，得到压强与液体深度的关系图像，如图3所示．选中某一固定液体深度h=137 m，再利用Excel软件处理液体压强与液体密度的关系，得到图像，如图4所示．

图3 液体压强与液体深度关系图

图4 液体压强与液体密度关系图

分析图3可知，在误差允许范围内，对于同种液体，液体压强p与液体深度h成正比．分析图4可知，在误差允许范围内，对于同一深度，液体压强p与液体密度ρ成正比．

3 推导定量规律

数据分析得到液体压强p与深度h成正比，与液体密度ρ成正比．由此可得出液体压强p与h、ρ的乘积成正比．接着可以得出关系式p=kρh式中的k是一个系数．以一组数据为例，如表中h=0.137 m时，液体密度ρ水=1 000 kg/m3，此时压强约为1 350 Pa，带入关系式可以得出k≈10 N/kg．结合k的数值，学生大胆猜想，多半能察觉出这个系数或许就是曾经学过常数g=10 N/kg．再将表中的其他数据代入公式p=ρgh，进行多次检验，最终流畅自然、科学地得出液体压强公式．

4 结束语

经反复实验证实，实验装置可靠有效，适合课堂演示与分组实验．作为定性教学时，利用数字压力计直接显示液体压强大小，现象更直观，更容易被学生接受．定量实验时，利用Excel处理实验数据，利用图形表达物理量之间的关系更加直观易懂，同时促进了计算机教学在物理教学中的应用．本实验装置相较于DIS传感器成本低廉，实用性更强．本次实验仅选用圆柱形容器进行了实验，没有探究容器形状是否对液体压强有影响．今后可以选取更多不同外形的容器进行实验，从而使液体内部压强影响因素的研究更为全面．

物理教学中有很多微观的物理现象、抽象的物理概念、生活的前概念认知阻碍等，这必将要求在物理教学中促使物理实验现象明显，可视性强，而数字化实验装置的使用在快捷搜集实验数据、显性化研究物理规律、定量化建构物理概念等方面起着重要的作用．因此教师在中学物理实验教学中，可以加大数字化实验装置的使用，一方面可以增强实验现象的演示效果，另一方面可以弥补定量数据处理方面的不足，同时也可以在很大程度上提高学生的实验效率，增强学生学习物理的兴趣，提升学生的科学探究能力．