师:同学们,本节课我们学习人教版八年级下册物理第九章压强第二节液体的压强一。本节课学习目标有三个:一是通过实验亲身感受液体压强的存在;二是构建模型,经历推导液体压强公式的过程;三是了解液体压强的影响因素。现在,咱们一起完成一个家庭小实验,感受液体压强。请同学们拿出家中的大水桶,装入约五分之四的水。
生:(准备好后)
师:相信大家都准备好了。接下来,手心朝下,将手放在水面下约10厘米的位置,感受水对手背的压力,并画出手背的压力示意图。
生:将手放入水中后,我感受到水对手背有向下的压力,所以水对手背施加的压力如图所示。
师:画得很正确,同学们都画对了吗?现在我们继续进行实验,将手逐渐下移,放在接近水底的位置。与第一次相比,你觉得水对手背的压力大小将如何改变?
生:在手逐渐下移的过程中,我感受到水对手背的压力逐渐增大。
师:根据同学的感受,水对手背的压力大小与手背所在水的深度之间有怎样的关系呢?
生:根据实验,手背所在水的深度越深,受到水的压力越大。
师:非常好,手背在水中的深度越深,水对手背的压强也越大。下面我们研究容器中液体压强与液体深度间的定量关系。圆柱体容器的底面积为s,所盛液体深度为h,液体密度为ρ。求容器底所受液体压强的表达式。请同学们先自己推导。现在我们来看这位同学的答案,他是根据我们上节课学到的物体所受压力的大小与受力面积之比叫做压强,即p = f / s来展开分析的。但是到了下一步,老师就有疑问了,f不是表示液体对容器底部的压力吗?为什么f = mg了呢?
生:因为液体对容器底部的压力f等于液体的重力G。
师:但题目的已知条件并没有说液体对容器底部的压力f等于液体的重力G。那你是依据什么物理概念来判断这两个力大小相等的?
生:我画出液体对容器底部的压力f和液体的重力G,如图所示,这两个力的方向相同,那么这两个力的大小就相等。
师:那请问你判断两个力方向相同,大小就相等的依据是什么?
生:没学过,但是如果物体处于静止或匀速直线运动状态,物体就处于平衡状态。现在液体静止受力平衡。
师:那请同学们再想一想两个力相互平衡的条件。
生:根据课本21页的内容,作用在同一物体上的两个力,如果大小相等,方向相反,并且在同一条直线上,这两个力就彼此平衡。
师:说得很正确,二力平衡的条件其中之一就是作用在同一物体上,那液体对容器底部的压力f和液体的重力G是否作用在同一物体上呢?
生:液体对容器底部的压力f的作用对象是容器底,液体重力G的作用对象是液体,并不是同一物体,这两个力不是平衡力。
师:现在请同学们对液体在竖直方向上进行受力分析,观察哪些力相互平衡。
生:我对液体在竖直方向上进行受力分析,如图所示,发现它受到重力G和容器底部对它的支持力F支,液体静止,有G = F支。
师:表扬这位同学回答清晰完整,那根据我们所学的知识,除二力平衡外,还有没有其他的依据可以证明两个力的大小相等?
生:如果两个力是相互作用力,它们的大小也相同。
师:很好,那你们还记得相互作用力的定义吗?如果不记得,请同学们翻到课本第5页,找到相互作用力的定义读。
生:一个物体对另一个物体施力时,另一个物体也同时对这个物体施加力的作用。那液体对容器底部有压力f,同时容器底部对液体也会有支持力F支的作用,这两个力是相互作用力,大小相等,即f = F支。
师:非常好。现在我们得到液体的重力等于容器底部对液体的支持力F支,又得到液体对容器底部的压力等于容器底部对液体的支持力F支,所以液体对容器底部的压力等于液体的重力G。现在计算出液体重力G的大小成为解决问题的关键。怎么得到液体所受重力的大小呢?
生:直接利用重力的计算公式,G = mg,得到液体所受重力的大小。
师:说得非常正确,现在我也终于理解为什么f = mg了。下面我们接着看这位同学的推导过程。液体所受重力G等于液体的质量m乘小g,液体的质量m液又等于液体的密度ρ乘液体的体积V液。根据题目的已知条件,V液 = s×h。发现分子分母都有容器底的面积s,约分之后可以得到p = ρhg。液体对容器底压强表达式就是p = ρhg。这里的ρ代表液体的密度,h代表液体的深度,也就是容器底到液面的距离。同理,液体内部某点的深度h就表示该点到液面的距离。根据推导出液体压强的表达式,你们发现液体压强会受到哪些因素的影响呢?
生:根据我们刚刚推导得到的公式p = ρhg,因为g是一个常量,所以液体压强受液体密度ρ和深度h的影响。
师:是的,通过液体压强的公式我们也可以发现液体压强的大小与受力面积的大小无关。利用液体压强公式p = ρhg计算压强时,液体密度ρ和深度h的单位分别是什么呢?我们可以通过液体压强表达式的推导过程来分析ρ和h的单位。压强p的国际单位是帕,也就是牛每平方米。在p = f / s中,压力f的单位是牛,受力面积s的单位是平方米。从这里继续往下推,重力G的单位也是牛。当重力G的单位是牛,质量m的单位就得是千克。为保证质量m的单位是千克,那液体密度ρ的单位是千克每立方米,体积V的单位是立方米。体积V = s×h,s的单位是平方米,与分母平方米约分之后,我们发现液体密度ρ的单位是千克每立方米,深度h的单位就是米。所以在液体压强表达式中,液体压强p的单位是帕,液体密度ρ的单位是千克每立方米,深度h的单位是米,小g为一个常量。
