关于压强,传统的初中物理教材(人教版)一般是在先讲完固体压强后,直接就来讲解液体压强,然后再讲大气压强。也就是把液体压强放在气体压强的前面来讲解的。然而在日常生活中,由于气体无时无刻地作用在任何液体的表面上,而且一般情况下自身又不会相互抵消,在研究液体压强时不考虑气体压强对它的影响,这对学生正确认识液体压强造成了不必要的困惑,也不利于学生对整体压强知识的深度理解。本文就这一弊端进行了简要的剖析,并提出了一些调整建议。
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一.液体内部及对容器的压强,必然包含了作用在液面上方的气体压强
大气虽然对固体物体也存在着较大的压强,但由于固体不具有流动性,一般固体之间的受力面又不是密封的(吸盘除外),也没有被抽成真空,直接作用在固体表面上的气压会相互抵消。因此我们在计算固体对固体压强时,不考虑大气压是正确的。
然而,由于液体具有流动性和排气性,气体对液体的压力又普遍存在,液体必须借助固体才能使其静止。所以处在大气中的液体对任何物体的压强其实都包括了作用在该液体表面的大气压。因为大气是通过液体对该液体内部的物体产生了较大压强的作用,所以我们在计算液体内部压强时,忽略大气压的作用就是不应该的。这就类似一个空载和满载的汽车对地面的压强大小截然不同一样,汽车上货物对汽车的压力显然是不能被忽略的!
总之,由于大气对单个固体的作用效果会相互抵消,所以人们在研究固体之间的压强时,不考虑大气压强的影响与实验结果是高度吻合的。然而,正如上文所说,由于任何液体都具有流动性和排气性,必然会存放在某一具体的容器中,大气对液体的作用效果就不能相互抵消。如果单独为了简化研究对象,把特定液体人为地隔离出来研究,而不考虑大气对它的影响,那理论模型必然就会与实验结果存在着较大的差异。
二.先介绍液体压强,后介绍气体压强的传统教材弊端较大
首先,利用液体压强计来探究液体内部压强特点的实验,是教材上安排的一个重点演示实验,教学参考上甚至建议作为学生实验来做,说明这个实验对学生理解液体压强至关重要。如果在此时学生们还不知道气体也存在压强,那他们就不知道为什么“U型管两边液面的高度差”,能半定量地反映压强计“探头处”压强的大小,最多只能是死记硬背罢了。
压强计(图片来自网络)
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其次,如果学生们还不知道大气对液体表面存在着压强,那他们也就无法理解连通器为什么要强调“上端开口”这一前提条件,同样最多也只能是死记硬背而已。
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再次,由于教材上在讲解液体压强的大小时,人为地“忽略了”作用在液面上方的的大气压(包括教材上的例题),从而给学生造成了这样的错觉:液体对容器底或侧壁的压强并不包括液面上方的气压。因为有这个错觉的存在,学生们在理解托里拆利实验、自制高度计、抽水机、自动给水装置等经典实验时将会困难重重。
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物理学毕竟是一门以实验为基础的科学,过分地脱离实际的结果,不仅会使学生的学习陷入死记硬背的泥潭,而且会使研究本身无法自圆其说,陷入困境。
三.对传统教材编排次序的调整建议
为了更好地使学生理解液体压强和气体压强的相关知识,教材就应该按照这样的先后次序来编排:
在介绍完压强及固体压强的一般内容后,首先介绍气体存在压强、利用吸盘或注射器来粗略地测量大气压;然后再来介绍液体存在压强、用压强计探究液体内部压强的特点、液体压强的大小及连通器的知识;最后再来介绍用液体水银来精确测量大气压的托里拆利实验、自制气压计及大气压随高度升高而减小的知识。
如果教材能这样编排,相关实验的解释就会顺理成章。例如:
1.压强计的工作原理(简要)。压强计探头处的橡皮膜受到压力,被封闭气体压强增大,U型管两端液面上方存在着不平衡的气压,所以我们能用U型管两端液面的高度差,来反映液体所受压强的相对大小。
2.连通器为什么要上端开口?因为只有保证连通器液面上方的气压相等,才能使连通器中的同种液体静止时,根据p=ρgh,所以最终液面相平。
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3.自制的气压计为什么当大气压减小时,尽管玻璃管中的水柱升高了,水对玻璃瓶底的压强却会减小?因为玻璃瓶内被封闭气体的压强减小了,玻璃瓶内水柱高度也减小了,根据p=ρgh,所以最终水对玻璃瓶底的压强会减小。
综上所述,如果教材能够按照上述次序编排进行调整,虽然在内容上并没有增加多少字,但由于它更贴近于现实,也更符合学生的认知规律,减少了学生需要死记硬背的知识,所以能使学生更好地理解有关液体压强和气体压强的知识,也有利于学生对有关压强方面开放性问题的思考,提高学生的物理素养。
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