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用对比实验研究“液体内部压强”

来源:不详       更新时间:2011-12-9 11:08:55
 

  液体的压强这部分知识是初中物理教学中的一个难点,究其原因,一是知识内容抽象,需要较强的抽象思维能力,二是涉及的知识面广,需要综合运用力的概念、密度、二力平衡等知识解释有关现象.而学生对这部分知识的理性认识不足,所以造成一些概念模湖不清,理论难以接受.

  如在分析计算液体内部的压强时,由公式p=ρgh知,“液体内部压强与液体的密度、深度有关,而与液体所受重力和体积无关”.对于这一点,学生很难接受.学生总认为液体 受重力作用所以才产生压强,因此液体所受重力越大,压强就越大.在教材及一些教学参考书上设计的一些实验也都间接地给学生造成了这一印象.例如如图1、图2所示的情况,突出的橡皮膜表明液体对容器的底部、侧壁有压强,从表面现象看水的重力越大(体积越大)薄膜凸起越大,压强就越大.

  在如图3所示的实验装置中,倒置的罐头盒上接一大漏斗,向罐头盒中倒入某种液体,当液面达到一定高度后罐头盒盖被冲开,盒中的液体全部倾泻而下.该实验虽然显示了液面升高液体的压强增大的事实,但同时液体所受的重力及体积确实也都在增大,因而使问题变得复杂起来.

  事实上,对于刚刚接触物理学的初中学生来说,由于生活中对这部分知识的理性认识不够,即使是模拟帕斯卡桶裂实验,也不会使学生强烈地感受到液体的压强大小只跟液体的深度和密度有关.因为桶裂是发生在液体体积增加、重力增大的过程之中.

  根据上述情况,我们设计了如图4和图5所示的实验装置.采用对比实验的方法,来验证“液体的内部压强与液体的深度及液体的密度有关,而与液体所受重力和体积无关”.

  如图4所示,在铁架台上固定一个下端包有塑料薄膜的玻璃筒,上端用橡胶塞塞紧并插入一个大漏斗(可用废旧的饮料瓶制做),并在铁架台的立柱旁竖一直尺.实验过程如下:

  (1)先在如图4所示装置中的漏斗里加入水,可以看到在水的压强作用下薄膜逐渐凸起,随着液面的升高薄膜凸起加大.说明液体对容器底部有压强且随深度增加而增大.当液体装满漏斗时,薄膜凸起最大,但没有压破.此时在标尺上记下液面的高度.

  (2)将漏斗及玻璃筒中的水倒入量杯中,并记下量杯中水的体积.取下漏斗并换上一细玻璃管,如图5所示.再从量杯中取一部分水加入玻璃管中,可以看到随着水柱高度迅速增大,薄膜凸起也迅速增大,当水柱高度达到一定值时,薄膜被压破,水全部倾泻到下面的量杯中,记下此时的液面高度.与步骤(1)比较可看出,液体内部的压强和液体的深度有关,细玻璃管内的液面比漏斗内液面高,薄膜被压破;而和液体总的重力、体积无关,因为用细玻璃管做实验时只用了用漏斗实验时的一少部分水.

  同一玻璃筒口上包相同的一块薄膜,用漏斗作实验时,液体的重力、体积都很大,却不能把薄膜压破,换上细玻璃管后,液体的重力、体积都减小了,反而能够把薄膜压破,其原因就是水柱的高度增加了(比用漏斗实验时液面高).通过这两个实验的比较使学生清楚地认识到:液体的压强来自于液体的重力,所以重力是产生液体压强的原因.但压强的大小只和液体的深度、密度有关,而和液体的重力、体积无关.对同种液体来说,其内部压强只与液体的深度有关.

  (3)若要验证液体的压强跟其密度有关,可改用盐水或煤油等其它液体重复上面的实验,同样可看出薄膜被压破时,液面的高度发生了变化.说明液体内部的压强和液体的密度有关.

  两点说明:

  ①如玻璃管很细则无法从管的上部注入液体,因为里面的空气排不出来,此时玻璃筒上部的橡胶塞可采用如图6所示的结构,其中a是一小段胶管,通过一段玻璃管插入橡胶塞和玻璃筒接通,胶管里面装一单向阀门(可用小塑料注射器柱塞的头部扎一小孔,连同截下的一小段针筒一起装入胶管即可制成).用注射器通过胶管向玻璃筒内注入液体,即可排除空气使细玻璃管内液面逐渐升高,并保持在任一位置.

  ②若无细长玻璃管,还可用一小漏斗下面通过一段胶管接到玻璃筒上,将大漏斗实验中倒出的水的一部分装满小漏斗.逐渐提高小漏斗,当小漏斗中液面达到一定高度时,薄膜被压破,同样可以说明上

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