新课标下自制新型数字化教具探究液体压强规律

庄中木　刘信生　林军

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下称“新课标”）增加了“探究液体压强与哪些因素有关”的探究性实验内容。为响应新课标，笔者运用气体压强传感器等器材，自制创新实验装置开展“探究液体内部压强特点”系列数字化实验探究活动，实现由定性化测试向定量化测量的转变，以提高实验数据的可靠性，增强实验探究的科学性，凸显实验教学在提升学生科学思维能力方面的教育价值。

一、落实新课标需要创新实验

对于初中物理液体压强特点及其规律，新课标要求教师引导学生“探究并了解液体压强与哪些因素有关”。它是新课标中课程内容的五个一级主题之一“运动和相互作用”下面的二级主题“机械运动和力”中一个重要的三级主题内容。特别需要强调的是，新课标的“实验探究”一级主题中要求学生必做实验中，“數字化实验”取代了原来的“数显化”，新增加了“探究液体压强与哪些因素有关的”探究性实验，进一步凸显液体压强知识教学的重要性。液体压强涉及前面的压力与压强、重力、质量、密度、体积和面积等物理量，为学生后续学习浮力、浮力产生原因与浮沉条件奠定基础，它在教学中起承上启下的作用。但是液体压强知识具有的综合性和抽象性，加之受到思维习惯影响与认知水平的限制，学生难以从实验结果推导出实验结论，也难以透彻理解教师给出的实验结论，所以它又是教学难点。

由于初中物理教材对液体压强只进行定性探究，即教师在教学中先用U形压强计对液体内部的压强进行实验测试，再建构液柱模型进行理论推导，得出液体压强公式。为弥补以往实验的不足，开展定量研究，有必要利用信息技术开发用于探究液体压强特点的新型实验系统，其具有很大的实用价值。

二、用数字化手段改进实验，助力液体压强规律探究

惠恩玲等认为液体的流动性与压缩性是产生液体压强的根本原因，揭示了液体压强的物理本质，是重要的理论依据。王素云使用台秤对“液体压强与液体重力的关系”“液体对容器底部压力与自身重力的关系”等实验进行数显化探究，开始关注定量探究液体压强特点的创新实验。笔者在教学中，将气体压强传感器系统与微型压强计组合在一起，自制探究液体压强特点的一系列数字化实验装置，以定量探究液体内部压强规律，增强实验教学效果。

（一）创新实验探究的可行性

根据压强计的结构特点，将蒙有橡皮膜的金属盒（简称“探头”）放入液体中，液体挤压橡皮膜凹陷，跟盒相连的一侧管中的密闭气体体积被压缩，气体压强增大，这是造成U形管两侧水面产生高度差的重要原因。笔者运用等效法与转换法思想，用气体压强传感器替换U形管，实现其与微型压强计探头的组合，利用自制的数字化演示装置开展定量化探究实验。

（二）探究液体内部同一深度向各方向压强的特点

1.探究液体内部同一点向各个方向压强的特点

准备实验器材：气体压强传感器、数据采集器、带软件的笔记本电脑、微型压强计（除去U形管部分），圆柱形容器一个，带底座的亚克力支架，染色水（目的是便于观察），热熔胶棒枪等。

组装实验装置：先用胶棒枪的热熔胶将气体压强传感器、数据采集器固定在带底座的亚克力支架上，用数据线将它们与笔记本电脑连接好备用，再将橡皮管的一端与微型压强计的探头相连，另一端与气体压强传感器塑料管相连。

探究步骤：①打开电脑数字化软件界面，点击“校正”按钮，在弹出的对话框中输入“0”（排除大气压强值对实验的干扰），说明此时橡皮膜受到的压力为0。用手轻压橡皮膜，电脑界面上显示的压强数值在增大，说明橡皮管内的气密性良好。②手持压强计探头上面的金属杆，将探头缓慢插入装有染色水的容器中，用弹簧夹将金属杆固定在容器侧壁，轻轻转动轮轴，使探头绕固定轴上下、前后转动（如图1）。学生观察电脑屏幕上压强示数的变化情况。③改变探头在容器中的深度，重复以上实验，读出实验数据。学生交流讨论，得出实验结论：同种液体在同一深度，液体向上、向下、向前与向后的压强都相等（扫码看视频）。

装置的创新之处：葛兴烁等教师运用手持式数字压力传感器与压强计等简易材料，定量地探究液体内部的压强规律，具有较大的研究价值，但是整个实验无法排除大气压对实验的影响^[1]。教师使用图1所示实验装置，巧妙地使用气体压强传感器等数字化器材，灵活使用软件的“校正”功能，消除了大气压强对测量液体压强的影响，实现了从观察压强计U形管中水面的高度差进行定性探究到用数字化手段测量液体压强进行定量探究的转变。

2.探究液体内部同一深度处任意两点压强的特点

液体内同一深度本质上是一个平面模型，师生使用数字化压强计只能探究这个液面上某一点的压强，无法代表整个液面各点的压强；同时由于金属盒上的橡皮膜只能在绕固定轴方向上转动一圈，因此只能间接证明液体内同一深度沿着轴向的压强都相等。至于该深度处其他方向的液体压强是否也相等，没有进行进一步验证，存在思维漏洞。为此，笔者尝试新的实验。

准备实验器材：气体压强传感器两个，数据采集器、带软件的笔记本电脑、微型压强计探头（可乐瓶盖做的）两枚，带两个圆孔的相互垂直的亚克力支架，长方体亚克力大容器、带底座的亚克力支架、气泡水平仪、热熔胶棒枪、圆珠笔芯、剪刀各一件，橡皮膜、橡皮筋若干，水等。

组装实验装置：①取来两个相同的可乐瓶盖，先用剪刀分别在中部打孔，分别插入短圆珠笔芯，再用热熔胶密封孔隙；瓶盖口用橡皮膜蒙上，用橡皮筋扎牢固，做成两个压强计探头备用。②在亚克力支架的水平底板上，先将两个压强计探头平行地固定在两个孔内（开孔器与可乐瓶盖大小相等），再用热熔胶将气泡水平仪（两个互相垂直的气泡仪用于调节左右水平和前后水平）固定在底座中间，用橡皮管将两探头分别与各自的气体压强传感器连接起来，做成同一水平面上双探头数字化压强计。

探究步骤：①打开软件界面，点击“校正”按钮，在弹出的对话框中输入“0”，此时探头受到的压力为0，用手分别轻压橡皮膜。电脑界面上显示的压强值在增大，说明橡胶管内的气密性均良好。②用手拿起亚克力手柄，将压强计双探头慢慢插入长方体容器的水中，在探头浸入过程中，保证气泡水平仪中的两气泡均在各自液柱的中间位置。③通过电脑屏幕分别读取各压强计探头处的压强值，进行多次比较，得出实验结论。学生交流讨论，达成共识：同种液体同一深度，任意两点的压强相等。

装置的创新之处：由于深度相同的某一液面本质上是一个平面，平面是由无数个点组成的，借助自制带有气泡水平仪的双探头数字化压强计进行探究，学生在对大量数据的分析中发现“同种液体同一深度的液面上，任意两点的液体压强相等”。学生由此可以将液体中液面上某一点向各个方向的压强相等的特点推广到两点、三点……更多点，依次推导出该液面上的所有点向各个方向的压强相等的结论。

3.探究液体内部同一深度各侧面方向压强的特点

准备实验器材：小型柱状铷磁体（强磁体）6枚，带橡皮膜的探头一个，橡皮管一根，亚克力管（外直径5 cm，厚度0.2 cm，长度80 cm）一根，购买刻度尺纸贴（100 cm），红丝带、双面胶带各一卷，气体压强传感器、数据采集器、带软件的笔记本电脑，熱熔胶棒枪，水等。

组装实验装置：如图2左所示，在带橡皮膜的探头的背面用热熔胶棒枪粘上1枚柱状铷磁体，找来一片方形亚克力块放在亚克力管的正下方，用胶棒枪将其粘牢后再进行密封，做成柱状容器；以亚克力管底部为0刻度线，将刻度尺纸贴竖直粘在亚克力管壁外侧；向亚克力管中注满水；将红丝带水平环绕柱状容器的外壁一周（目的是做好标记），并用双面胶固定好；组装数字化传感器系统；用橡皮管将探头与气体压强传感器连接备用。

探究步骤 ：①打开数字化演示装置，并“校正”仪器，检验装置的气密性。②将带有柱状铷磁体2的探头轻轻放入柱状容器的水中，手拿柱状铷磁体1（由5枚强磁体组成）在容器外壁逐渐靠近磁体2，使两者隔着管壁相互吸引住对方。③用手缓慢地将柱状铷磁体1沿管壁竖直向下拖动，在磁体的吸力下，探头在水柱中也逐渐浸入容器中的液体深处，将柱状铷磁体1停放在水平环绕柱状容器外壁一周的红丝带处，如图2右所示。④用手轻轻推动柱状铷磁体1，沿着红丝带环绕的水平管壁面转动一周，同时带动粘有铷磁体2的探头绕圆柱形管壁一周，让学生观察电脑屏幕上的压强值是否发生变化。⑤重复实验步骤④，记录实验数据，得出实验结论。学生交流讨论，得出实验结论：同种液体同一深度，液体向水平侧面各个方向的压强都相等。

装置的创新之处：使用此数字化实验装置，能够探究出液体内部同一深度在水平面内的液体向（水平四周方向）各方向的压强也相等，弥补了以前压强计探头只能验证绕固定轴方向（竖直面内）向各个方向的压强相等的思维漏洞，提高了学生的空间想象力，同时完善了实验证据链，增强了实验说服力，提升了实验科学性。

（三）探究液体内部压强与深度的关系

1.实验装置结构与实验探究过程

在控制液体的种类不变时，为了探究液体内部压强与深度的关系，完全可以运用图2所示的装置展开探究活动。在“探究液体内部同一深度所有点各个方向压强的特点实验”的基础上，教师可以用手继续缓慢地将柱状铷磁体1沿管壁竖直向下拖动。受磁体引力作用，探头在水柱中逐渐浸入容器中液体更深处，直到柱状容器的底部。教师让学生观察并记录液体（水）压强示数（见表1）。学生重复以上实验，分析压强大小的变化特点，得出实验结论。

学生交流讨论，达成共识：液体压强随着深度增加而增大。

2.装置的创新之处

数字化传感器探究实验装置的应用有利于学生测量压强计的探头浸入液体中的深度值与对应的压强值，展开具体的数据分析，最终得出液体的压强与液体的深度成正比的科学结论。实验数据充分，实验精准度高，实验现象明显。学生在探究活动过程中增强了交流合作意识。

（四）探究液体压强与液体密度的关系

1.实验装置结构与实验探究过程

在控制其他因素不变时，为了探究液体内部压强与密度的关系，可以使用图2所示的实验装置开展实验活动。打开数字化实验系统后，检验探头与橡皮管密闭性。先在圆柱形容器中倒满酒精，手持柱状铷磁体1将粘有铷磁体2的压强计探头拖至圆柱形容器50 cm深处，读出此时的压强值为3.6 kPa；再将圆柱形容器中的酒精换成染色水，仍然使压强计探头放在圆柱形容器50 cm深处，读出此时的压强值为4.4 kPa；最后将染色水换成盐水与酱油，重复以上实验，记录数据，交流讨论。学生发现液体内部的压强与液体的密度有关，液体密度越大，压强也越大。

2.装置的创新之处

数字化创新实验装置取代传统的U形压强计后，实现了实验数据的数显化，大幅提高了实验效率。教师可以将电脑与多媒体连接，让全班学生都可以看到，实现实验的可视化，能获得“高见度、见效快、强视角”的教学效果。

三、验证液体压强公式

以上实验装置虽然实现了数显的特征，能够显示液体压强的重要特征，但是电脑显示器上的压强值并非液体中该点真正的压强。那么，如何利用数字化实验系统直接测量液体某深度处压强呢？液体内部某处压强可以用公式p=ρgh来计算。由此，实验主题可转化为：设计数字化创新实验来验证液体压强公式的科学性。

（一）实验装置的设计与组装

准备实验器材：亚克力管（外直径4 cm，厚0.2 cm，长约80 cm）一根，细玻璃管（长约15 cm），木工板（100 cm×20 cm×2 cm），铁架台，手电钻各一件，气体压强传感器、数据采集器、带软件的笔记本电脑，购买刻度尺贴纸（0～100 cm），饮料瓶盖、塑料卡扣各一枚，长螺丝数枚，橡胶管（长约80 cm）一根，热熔胶棒枪、剪刀各一件，染色水等。

组装实验装置：①组装容器，先用手电钻在饮料瓶盖中央位置打孔，在孔中插入玻璃管，以刚露出管口为宜，再将瓶盖扣在亚克力管的一端，用胶棒枪密封缝隙（如图3a），最后用胶水将刻度尺贴纸以玻璃管底部为起点，竖直地贴在亚克力管外壁备用。②在支架上固定容器，先取来长木工板，用手电钻在下端打孔，用螺丝将木工板竖直地固定在铁架台上，再将亚克力管紧贴木工板，上端用塑料卡扣夹紧，下端用一根支撑螺丝托起，竖直地固定在板面上作为容器，最后取一张刻度尺贴纸沿着饮料瓶口下端的玻璃管，竖直向下贴好（如图3b）。③组装数字化系统，如图3c所示，连接数字化传感器，用橡皮管将玻璃管下端与气压传感器连接好，检验橡皮管的气密性。至此，整个装置组装完毕（如图3d）。

（二）对气体压强传感器的测量值校正过程

根据液体压强公式p=ρgh可知，往容器中注水，当水柱深为10 cm与20 cm时，水柱产生的液体压强应该为1.0 kPa与2.0 kPa。为了直接测量容器底部的液体压强，笔者创造性地去掉压强计探头的橡皮膜，使液体直接挤压橡皮管内空气，保证橡皮管中的气压就是液柱产生液体压强，且气体压强随着液柱深度的增加而增大。因此，在正式实验之前，对仪器必须进行简单的校正。例如，改变传感器与玻璃管之间橡皮管的长度，可以改变橡皮管中空气的体积，最终实现橡皮管中的气压值等于水柱产生压强。

（三）实验探究过程与数据的采集处理

操作步骤：①打开数字化演示装置，向已校正的容器中轻轻注入染色的水。②随着容器中的水柱高度增加，水柱压缩橡皮管中的空气。当达到一定深度时，染色水进入容器底部的玻璃管中，此时水柱的深度应该是容器中水的深度加上玻璃管中水的深度（由于液体的压强与深度有关，与容器的粗细无关）。③多做几次实验，填写实验数据并分析，得出实验结论。

（四）验证液体压强公式的科学性

笔者自制教具，引导学生参与数字化创新实验的探究活动，成功地验证了液体压强公式p=ρgh的科学性，打破了过去教师只是实施理论层面公式推导的“教”公式，学生只能按部就班地“用”公式解计算题的魔咒。

随着信息技術手段的更新迭代，物理创新实验的内容会更加丰富。将先进的信息技术融入物理创新实验作品中，可以激发学生的学习动力，调动学生思维积极性，这是实验课堂教学成功的关键。笔者将气体压强传感器等数字化实验仪器与探究液体压强特点的传统实验深度融合，自制一系列创新实验教具，实现定量化探究液体压强特点，验证了液体压强公式的科学性，同时打破了使用U形压强计只能定性地探究液体压强的特点的藩篱，改变了实验仪器单一、演示过程简单、实验操作烦琐、实验现象难以观察的窘态。上述数字化创新实验的开发应用，大幅提高了物理实验教学的价值与效能。

注：本文系广东省“十三五”教育科学研究2019年项目一般课题“中学生创新素养的发展路径与实践模式研究”（批准号：2019YQJK400）、安徽省教育信息技术研究2021年度立项课题“TPACK理论框架下初中物理创新实验教学的行动研究”（项目编号：AH2021026）、安徽省教育科学研究项目课题“基于深度学习的初中物理教学实践研究”（编号：JK20057）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 葛兴烁，李强，纪登辉.定性定量探究液体内部压强的实验装置[J].物理通报，2023（1）：109-111.

（作者庄中木系广东省湛江经济技术开发区民安中学高级教师；刘信生系安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学高级教师；林军系安徽省合肥市包河区教育体育局教研室教研员）

责任编辑：祝元志