师:大家好,今天我们一起来学习第八章第二节——研究液体的压强第一部分内容。在学习今天的内容之前,我们先来了解一下物理学史上一个惊人的实验。1648 年,法国物理学家帕斯卡在一个装满水且密闭的木桶上插了一根细长的管子,然后从阳台上向细管内灌水。只用了几杯水,水桶就被撑破了。这到底是不是真的呢?如果是真的,桶为什么会裂开呢?现在,随着老师一起来模拟一下这个实验。
这里有一个装有水的漏斗,通过细管与装满水且带有划痕的塑料瓶相连,中间用夹子封闭。可以观察到,水从瓶中未流出。我们打开夹子,观察到瓶壁裂开,水从瓶中有力地喷射而出。塑料瓶的划痕处因受水挤压形变而裂开,这说明水是有压强的液体。那么,为什么会产生压强?我们又该如何探究液体压强?其内部压强又受哪些因素的影响呢?我们这节课将针对上述三个问题逐个探究。
首先,我们来探究液体为什么会产生压强。请看图片,底部和侧壁都开口的玻璃管,接口处用橡皮膜封闭。未装液体前,底部和侧壁的橡皮膜非常平整。我们装满液体之后,同学们观察一下橡皮膜的情况。很明显,能观察到橡皮膜凸起。为什么会突出呢?由于液体受到重力作用,会对底部橡皮膜产生向下的压力。橡皮膜在压力作用下向下凸起,说明液体对容器底部有压强。液体本身具有流动性,在容器侧壁的束缚作用下还具有一定的形状。根据力的相互性可知,液体对容器侧壁也有力的作用。侧壁上的橡皮膜在这个力的作用下向外凸起,说明液体对容器侧壁也有压强。
我们该如何探究液体的压强呢?这要借助到实验室常用的一种装置,叫做微小压强计。下面我们一起来了解一下微小压强计的结构和它的工作原理。微小压强计由探头、橡皮管、U 型管三部分组成,U 型管中装有色液体。我们用力按压橡皮膜,会发现 U 型管两侧液面形成高度差,用力越大,橡皮膜所受压强越大,高度差越大。实际上,微小压强计是将橡皮膜所受压强转化为 U 型管中两侧液面高度差来对比,橡皮膜所受压强越大,U 型管两侧液面高度差越大。这就是我们物理学中常用的探究方法之一——转换法。
有了微小压强计,我们便可以用它来探究液体内部压强。将探头置于水中某一深度处,可观察到 U 型管两侧液面形成高度差,证明液体内部存在压强。转动探头时,注意观察 U 型管两侧液面的高度差,会观察到橡皮膜朝向不同时,U 型管两侧液面高度差不变。同学们思考一下,从这个实验现象当中我们能得出什么样的结论呢?
生:橡皮膜朝向不同时,U 型管两侧液面高度差始终存在,说明液体内部各个方向都有压强。深度不变时,U 型管两侧液面高度差始终不变,说明在同一深度处各个方向的压强相等。
师:同学们回答得非常好。那大家再接着思考,液体内部压强到底受哪些因素的影响呢?同学们结合实际情况进行一下猜测。
生:日常生活中常见的液体种类繁多,液体内部压强可能会受液体密度的影响。而且用细长的管子站在阳台上灌水才能将桶压裂,液体内部压强可能跟液体的深度有关系。
师:同学们的猜测很有道理。有多个因素会影响液体内部压强,在实验中我们必须用到控制变量法。下面我们就一起来用控制变量法探究液体内部压强的特点。
将探头置于清水中,距液面 4 厘米处,观察 U 型管两侧液面的高度差,并记录下来。再将探头下潜至距液面 6 厘米处,接着下潜至 10 厘米处。然后取出探头,置于盐水中,距液面 4 厘米处,下沉探头至 6 厘米处,再下潜至 10 厘米处。实验已经做完,这是刚才实验记录数据的表格,同学们先自己分析一下数据,看能否得出什么样的结论呢?
