师:同学们好,很高兴能和大家共同学习初中物理。今天我们继续学习上海科技、广东教育出版社八年级第八章第二节《研究液体的压强》第二课时内容。首先,我们来复习一下上节课的要点。液体内部压强有以下特点:一是液体内部向各个方向都有压强,且在同一深度,各个方向的压强相等;二是液体内部的压强跟深度有关,深度增加,压强增大;三是不同液体内部的压强跟液体的密度有关,在同一深度,密度越大,压强越大。液体压强的计算公式是$p = \rho gh$,其中$p$表示液体内部任意深度的压强,单位是$Pa$;$\rho$表示液体的密度,单位是$kg/m3$;$g$为常数,是$9.8N/kg$;$h$表示深度,单位是$m$。
大家知道,蛟龙号是我国自主研制的载人深潜器,它在下潜时会受到海水的压强,下潜深度越深,所受压强越大。一直以来,人类都在探索天有多高、海有多深。经过千百年的好奇与千万次的尝试,中国研制出第一艘载人潜水器。2014年底,工作母船运载着蛟龙号和众多科学家、工程师,第一次越过赤道,在南半球潜入一片从未有人类抵达的海底。几乎每次出海,蛟龙号都会创造许多中国乃至世界的第一次。2012年,蛟龙号来到万米深渊的马里亚纳海沟——地球上最深的地方。这一天,工作母船的水声通信室收到中国第一试航员叶聪发自海沟深处的报告:蛟龙号于北京时间2012年6月24日9:07下潜到马里亚纳海沟7020米深度,成功坐底。蛟龙号为中国人进入海底打开了大门,门后是一个数十倍于我国陆地面积的辽阔世界。迄今为止,已有数百位中国科学家乘蛟龙号在南海、太平洋、印度洋下潜,第一次直面他们毕生研究的对象。他们从深海带回了珍贵样品,研究报告助力推动中国海洋科学走向繁荣。一个有活力的民族迟早要走向深海。蛟龙号的成功源于改革开放激发出的强大需求,为了国家利益,中国在载人深潜能力上迈出了史无前例的一步,接着还会有第二步、第三步。如此发展下去,总有一天,深海将与我们每一个人息息相关。
同学们,现在请思考,蛟龙号在下潜时所受海水的压强有多大呢?请大家计算一下蛟龙号下潜到7千米深的海水中所受的压强约为多少。
(稍作停顿,给学生思考时间)
蛟龙号下潜到7千米深的海水中所受的压强约为$7×10^{7}$帕,这相当于7000吨的重物压在1平方米的面积上。同学们,载人深潜器在海水中所受的巨大压强,你们算对了吗?
中国载人潜水器目前处于世界领先水平,这是我们中国人的骄傲。还有一项同样值得骄傲的伟大工程,那就是举世瞩目的三峡工程。三峡船闸是当今世界最大的船闸,共有5个闸室,主体总长1621米,上下游水位落差达113米,大约有40层楼高,这给船舶通行带来了巨大难题。那么,轮船是如何通过三峡的呢?为了揭开其中的奥秘,接下来我们学习新的知识——液体压强的应用之连通器。
请同学们仔细观察这些装置,看看它们有什么共同特点,重点关注它们的上端和底部。
(展示u型管)
同学们,请看这个u型管的上端和底部。像这样,上端开口、底部互相连通的容器,就叫做连通器。
下面,请同学们辨别一下这些容器是不是连通器,仔细观察它们的结构特点。
(展示茶壶、创意杯子、压强计等图片)
大家看,茶壶是上端开口、底部连通的,所以它是连通器;创意杯子同样是上端开口、底部连通,它也是连通器;而压强计只有一端开口,所以不是连通器。
连通器内装入液体后会出现什么情况呢?请同学们认真观察这两幅图片,是不是所有的连通器装入液体后都会液面相平呢?这是否需要满足什么条件呢?下面我们通过实验来验证一下。
(展示由形状不同容器组成的连通器,并向里注入蓝色液体)
大家仔细看,在注入液体的过程中,液体流动时液面并不相平。当液体静止后,各容器内液面均保持相平。我们继续向容器内加入液体,观察到液体不流动静止时,各容器内液面又保持了相平。由此可知,连通器中装入同种液体且液体不流动时,各容器内液面相平,液面是否相平与容器形状无关。
那么,连通器内装入不同液体还会相平吗?让我们再通过实验来验证一下。
(展示由四个形状不同玻璃管连接而成的连通器)
这是一个由四个形状不同的玻璃管连接而成的连通器。我们往连通器中倒入红色的水,当水静止时,观察到水面相平。将连通器倾斜静止时,水面仍保持相平。接着,我们往其中一个玻璃管中倒入食用油,静止时观察到液面不再相平。
我们来一起总结一下:向连通器中装入同种液体,且液体不流动时,各容器内液面相平,与容器的形状无关;向连通器中装入不同的液体时,液体不流动时,液面不一定相平。通过以上实验,我们得出连通器的原理:若连通器中装入同种液体,当液体静止时,各容器内液面总保持相平。
那为什么各容器的液面会相平呢?下面我们来理论推导一下连通器的原理。
(展示u型管并标记叶片ab)
设想,u型管最底部有一个叶片ab。因为液体静止,所以叶片处于静止状态,那么叶片两侧所受的压力相等,即$F_{1} = F_{2}$。又因为叶片面积相等,由$p = \frac{F}{S}$可得叶片ab两侧所受压强相等,即$P_{1} = P_{2}$。根据液体压强公式$p = \rho gh$,液面两侧为同种液体,即$\rho_{1} = \rho_{2}$,则两管液面高度相等,即$H_{1} = H_{2}$,也就是两管液面相平。
同学们,我们了解了连通器的原理,那它在生产生活中有哪些应用呢?连通器的原理在生产生活中的应用非常广泛。比如说我们生活中经常使用的茶壶,就是连通器。大家知道它是怎样往杯子里加水的吗?
茶壶身和茶壶嘴构成一个连通器。要是壶嘴比壶身低,壶身的水位一高,水便会从壶嘴里流出来,一直流到壶中水面和壶嘴相平时才会停止。倒茶时,茶壶向壶嘴方向倾斜,壶嘴里水位比壶内的水位低了,壶里的茶水就从壶嘴里流了出来。壶里的水越少,倒水时壶嘴就越倾斜,使壶嘴比壶身里的液面低,水才能流出来。否则液面相平,水就倒不出来了。
