正確答案:
我利用籃球或熱水袋(大號18.5cm×22.5cm)為主要器材,設計製作了液壓機模型、液壓演示儀、液壓秤等液壓演示裝置。現將其結構及演示方法介紹如下。
一、液壓機模型
實驗裝置如圖1所示,圖中3、4、5、6、7之間均用橡皮管聯接,其中4、6閥門系用玻璃管和鋼珠製成或用滴管和鋼珠合成。演示時熱水袋中先充水300~400ml,以免熱水袋邊緣受壓而破損,同時要將袋中空氣排出,這是因為當熱水袋中的水或空氣的體積超過600ml時,熱水袋中間部分就會凸起,致使木板和熱水袋的有效接觸面積減校用籃球時,把籃球氣門塞子拔下,插入適當粗細的玻璃管即可,充水量以籃球容積的一半為宜。
當活塞向外拉出時,閥門4關閉,熱水袋或籃球中的水不能流出,而閥門6自動打開,燒杯中水流入注射器中。當活塞向裡推進時,閥門6關閉,而閥門4打開,注射器中的水壓入熱水袋或籃球內,將站在木板上的人向上頂起。
二、液壓演示儀
帕斯卡裂桶實驗是令人驚奇的,在課堂內做一做這個實驗,無疑是很有意義的,但也由於裂的原因,而不適合於課堂演示。若用液壓演示儀演示,則可消除其缺點。這個實驗不僅有帕斯卡裂桶實驗所具有的令人驚奇的效果,而且還可以定性或定量地研究液體的壓強和深度、密度的關係,為使學生理解液體的壓強公式鋪平了道路。
其裝置如圖2所示,給熱水袋充水300~400ml,並排出其中的空氣,當漏斗提到與人的頭部齊平時,鬆開止水夾子(圖中沒有畫出,不用止水夾子也可),即可見漏斗中的水逐漸流進熱水袋中,用燒杯往漏斗中加水100~200ml(這是限於熱水袋的容積,若過量,中部將凸起)。若用籃球,先充水至其容積的一半為宜,用漏斗多加些水則無妨。
研究液體壓強與深度的關係。當不同質量的人站在木板上時,水面的高度(系指由於人站到木板上時水面所升高的高度)不同,人的質量越大,水面的高度也越高,若測出他們的體重和相應的水面高度,則可得出液體的壓強與深度成正比的結論。
研究液體的壓強和密度的關係。當管中充滿水時,用止水夾子夾緊漏斗下部的皮管,倒去漏斗中的水,往漏斗中加酒精50~100ml(視管子粗細及長度而定)。人站到木板上後,把漏斗舉到與人頭部略高的位置,鬆開止水夾子,酒精則緩緩下流。平衡時,皮管中已充滿酒精,量出酒精面高度,並與同一人相應的水面高度對比,則可得出液體的壓強與液體密度成正比的結論。
在研究液體壓強和深度的關係時,還可以改變管子的斜度,使水柱長度發生變化,但平衡時水面高度保持不變,這不僅能加深學生理解液體壓強和深度的關係,而且對後面的托裡拆利實驗現象的理解也是有幫助的。
三、液壓秤
尤為有趣的是,圖3所示的裝置還能測體重(質量)。當你根據標尺的讀數報出學生的體重時,學生定會不勝驚訝,激發起他們強烈的求知慾望。其中的奧妙何在呢?
這是由於有效面積保持不變時,水面的高度和加在木板上的力的大小存在著一一對應關係,因此只要在標尺上刻上相應的刻度,便能通過水面的位置測出人的體重,由於水面的高度是與加在木板上的力成正比,其刻度是均勻的。因熱水袋的有效面積大約為400cm2,故當40千克的人站在木板上時,水面升高的高度大約為1米,當然,在標定刻度時,要按實測值來確定。需要注意的是:零點的位置,應是不站人時水面所在的位置,木板放在熱水袋的位置要確定,熱水袋中充水500ml為宜,用籃球也可。