液體內(nèi)部壓強探究演示儀

浙江省紹興市第一初級中學(xué)教育集團鏡湖校區(qū)(312000) 肖榮榮

1 教具的教學(xué)意義與價值

本教具能直觀地演示塑料軟管內(nèi)液體的內(nèi)部壓強大小，將抽象的問題以數(shù)字化形式直觀而具體地展現(xiàn)在學(xué)生面前。幫助學(xué)生理解影響液體內(nèi)部壓強大小的因素(如容器的形狀、液體的質(zhì)量、液體的深度和液體密度等)，液體各個方向壓強大小的關(guān)系。特別是在糾正學(xué)生對“液體深度”理解偏差方面，發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

2 教具裝置圖

教具裝置如圖1、圖2所示。

圖1 裝置測量部分

圖2 裝置全貌

3 教具設(shè)計原理

利用塑料軟管有較強的可塑性特點，以及運用構(gòu)成空氣腔體(由乳膠膜、內(nèi)外接頭、單孔橡皮塞構(gòu)成)的一側(cè)乳膠膜受到液體壓力而引起腔體內(nèi)氣壓大小變化的原理，并通過轉(zhuǎn)換測量法探究軟管內(nèi)液體內(nèi)部壓強大小。

4 教具特點及應(yīng)用

通過傳感器與塑料軟管多種形狀的變換，可對液體內(nèi)部壓強大小影響因素(如容器的形狀、液體的質(zhì)量、液體的深度和液體的密度等)，以及同一深度液體各個方向壓強大小關(guān)系進行綜合性實驗探究。實驗操作靈活簡便，學(xué)生可看到實時實驗數(shù)據(jù)，實驗現(xiàn)象明顯、直觀性強。

5 制作材料

塑料軟管(內(nèi)直徑為20mm)、杯梳、內(nèi)外接頭(2個)、乳膠膜、單孔橡皮塞、乳膠管(3mm×5mm)、背景板、U型管卡、尺子、壓強傳感器(朗威LW－T822)、數(shù)據(jù)采集器、電腦等。

6 制作方法

(1)如圖1所示，按以下順序?qū)⑵鞑慕M裝在一起：塑料軟管→杯梳→內(nèi)外接頭(乳膠膜安裝在內(nèi)外接頭間)→單孔橡皮塞→乳膠管→壓強傳感器)，構(gòu)成實驗裝置的測量部分。

(2)將5個U型管卡按圖2所示安裝在背景板上(它們的作用是用來固定實驗時的軟管)，并貼上編號；管卡1與其他幾個不同，它可繞其中央固定螺絲360°旋轉(zhuǎn)(用來固定裝有乳膠膜的內(nèi)外接頭)。最后在白色背景板上畫上一條通過管卡1中央位置的水平線A。

7 實驗過程

7.1 液體內(nèi)部壓強大小與容器形狀、液體質(zhì)量、液體深度有關(guān)嗎?

(1)按圖2所示，安裝好全部器材，然后將乳膠膜處 (測量點)與管卡1的中央標記線對準后卡住固定，選擇管卡1、2、3固定軟管，此時電腦顯示的是大氣壓強103.0kPa。然后往軟管里注入一定量被染紅的自來水，此時測量點的壓強示數(shù)變?yōu)?05.3kPa。在背景板上作出此時軟管內(nèi)液面的水平位置標記B，如圖3所示。在保持塑料軟管內(nèi)液體質(zhì)量不變的情況下，重復(fù)以上的操作，選擇管卡1、2、5固定軟管，當電腦顯示壓強示數(shù)變?yōu)?05.3kPa時，作出軟管內(nèi)液面的水平位置標記C，如圖4所示。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，在液體質(zhì)量不變的情況下，軟管處于兩個不同形狀位置時也可得到相同大小的壓強，所以我們可得出液體內(nèi)部壓強大小與容器形狀無關(guān)。

圖3 管卡1、2、3固定軟管

圖4 管卡1、2、5固定軟管

(2)如圖5所示，選擇管卡1、2、4、固定軟管，同時倒出一定量的液體，當電腦顯示壓強示數(shù)變?yōu)?05.3kPa時，作出軟管內(nèi)液面的水平位置標記D。同樣，如圖6所示，選擇管卡1、2、4、5固定軟管，增加一定量的液體，當電腦顯示壓強示數(shù)變?yōu)?05.3kPa時，作出軟管內(nèi)液面的水平位置標記E，如圖6所示。通過以上實驗我們發(fā)現(xiàn)，當液體質(zhì)量不同 (減小或增大)時，也可得到相同大小的液體內(nèi)部壓強，由此可得出液體內(nèi)部壓強大小與質(zhì)量也無關(guān)。

(3)液體內(nèi)部壓強大小與什么因素有關(guān)呢?與液體深度有關(guān)嗎?通過仔細觀察和分析圖3、4、5、6，我們發(fā)現(xiàn)對于同一種液體，不管是軟管形狀變化還是液體質(zhì)量變化，壓強示數(shù)都為105.3kPa時，這四處液面的水平位置標記線與通過測量點的水平線A的豎直距離均為25cm，這就是液體深度，它是指自由液面到測量點的豎直距離。因此可以得出，對于同一種液體，如果液體內(nèi)部測量點的深度不變，則其壓強大小不變。通過再次驗證 (見圖6)，讓軟管進行上下移動，使得其液面忽上忽下，我們可觀察到液體內(nèi)部壓強示數(shù)也隨之忽大忽小。以上實驗表明，液體內(nèi)部壓強大小與液體的深度有關(guān)，它隨深度的增加而增大。

7.2 液體內(nèi)部壓強大小與液體密度有關(guān)嗎?

圖5 管卡1、2、4固定軟管

圖6 管卡1、2、4、5固定軟管

如圖7(a)(b)(c)所示，水平線A1與A的豎直距離為27cm，選擇管卡1、2、4、固定軟管，在軟管內(nèi)分別注入染紅的酒精(ρ＝0.8g/cm3)、鹽水(ρ＝1.06g/cm3)和水(ρ＝1.0g/cm3)3種不同密度的液體至水平線A1處，然后觀察記錄它們的壓強示數(shù)。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，液體內(nèi)部壓強大小與液體的密度有關(guān)，密度越大，壓強越大。

圖7 探究液體內(nèi)部壓強與液體密度的關(guān)系

7.3 在同一深度，液體內(nèi)部向各個方向的壓強相等嗎?

乳膠膜處(測量點)與管卡1的中央標記線對準卡住固定后，無論管卡1旋轉(zhuǎn)多少度，乳膠膜的中央測量點與水平線A1的豎直距離始終不變。設(shè)置液體深度為27cm，對同一種液體(染紅的水)，分別對中央測量點的側(cè)面、朝上和朝下3個方向的液體內(nèi)部壓強進行測量分析。通過以上實驗我們發(fā)現(xiàn)，對于同一種液體，在同一深度，液體內(nèi)部向各個方向的壓強相等。

8 實驗總結(jié)

通過本演示儀對液體內(nèi)部壓強進行了一系列探究實驗，我們可知：液體內(nèi)部壓強大小與液體的深度和密度有關(guān)，而與液體的質(zhì)量、容器的形狀無關(guān)。同時，在同一深度，液體向各個方向的壓強相等。