大气压强教学设计
本节课首先演示马德堡半球实验,提出疑问:是什么力使两个半球合得那么拢?讨论后得出,是大气的压力把两个半球紧紧压在一起的,进而让学生确信大气压的存在.因为地球周围的大气受到地球的吸引,即大气也受到重力的作用,所以大气对浸在其内的物体就有压力、压强.第二,理解大气压强的作用特点.液体有流动性,气体亦有流动性,大气产生的压强与液体产生的压强有没有相同之处呢?复习教材P120图l0-12(注:人教版):在同一深度,水向各个方向都有压强、且相等.同液体对比,演示下述几个实验,验证大气压强是否向各个方向都有.
①向上.玻璃杯装满水用纸片挡住,倒立玻璃杯,纸片不脱落,如图1.说明向上有大气压.
②向下.将剥了壳的熟鸡蛋塞住刚烧过酒精棉球的广口瓶口,很快鸡蛋就被压进广口瓶中,如图2.说明向下有大气压.
③猜想向左、向往是否也有大气压,如何证实?(让学生自己证实)
通过上述演示实验及日常生活经验得知,在气体内部向各个方向都有压强.
第三,探讨用什么方法可以测出大气压的数值.演示图3、图4的实验,分析试管中水柱产生的压强大小与大气压大小的关系.图3中纸片(纸片重可忽略)不掉下来,图4中水柱不下落.由二力平衡条件可知,图3中水柱对纸片向下的压力,或图4中水柱对水面向下的压力都小于大气对纸片向上、或对水面PQ向下的压力.由于受力面积相等,可推测水柱产生的压强不大于大气压.
猜想,如果水柱不断地增长,是否有可能使水柱产生的压强刚好等于大气压,或者说这一段水柱恰好由大气压所支持呢?回答应该是有可能.由于大气压向上向下都有,且同地同时刻是相等的,所以图3和图4是等效的.为排除纸片重力的影响,可采用图4来实验.这样,我们就可以通过计算此段水柱产生的压强,间接地测量出大气压的数值.
把图4中的试管换成1米长、2米长……的玻璃管,科学家就这样不断地换下去,水柱不断延长,总会找到某一长度的玻璃管,它里面水柱的压强恰好等于大气压强的值.物理学家托里拆利根据液体压强公式p=ρgh,灵机一动:玻璃管太长不易测量,那么让玻璃管短一些,换一种密度大的液体怎么样?于是地球上密度最大的液体水银被派上了用场,一试果然奏效.为了纪念这位科学家,我们把这个实验叫做托里拆利实验.
最后,演示托里拆利实验,较精确地测出当地当时的大气压强值.
这里还要介绍如何向玻璃管中灌水银的方法.从医院里捡回废的输液管洗净晾干,用时把输液管有针头的一端放入托里拆利管,另一端插入水银试剂瓶中(把进气管头去掉)拧紧开关.压迫输液管上的膨大部分,吸上一段水银,然后放低托里拆利管,打开开关,利用虹吸现象就可把水银安全又无气泡地灌入玻璃管.待水银快满时关上开关,提取输液管;若不满,再小心地打开开关"输入"一点.将试剂瓶中剩下的水银倒进演示器的水银槽中.水银是液体,不必担心从针头里流不出来.做完实验后,再用输液管将水银"回收"到试剂瓶中.做实验时不慎撒落在外的水银可用硫磺粉吸附,集中处理.最后将实验用过的输液管送往煤炉中销毁.
要让学生理解实验.需帮助学生理清图5中的3个问题:
(l)3个"面",即管内水银面AB、EF和管外水银面CD.管内水银面上是真空,没有任何物质,这两个面不受任何压力(包括大气压)的作用;管外水银面与空气接触,受到了大气压的作用.
(2)一个"柱",即管内水银柱.
(3)两个"度",即水银柱的长度和高度.水银柱的长度l1、l2,是贴着玻璃管量的两个"面"间的距离;而水银柱的高度h,是两个"面"间的垂直距离,亦即管内外水银面的高度差.若玻璃管竖直放置,如图5中左管,则h=l1;若倾斜放置,如图5中右管,则h<l2。
由于有了前面的知识准备,一般学生都能知道管内水银柱由大气压所支持;能理解大气压在数值上等于管内水银柱产生的压强.
大气压强值不能直接测出,但可通过由于大气压强的真实存在而表现出的一些现象巧妙地间接测算出来.托里拆利实验就是抓住大气能支持管内的水银柱,并且大气与这段水银柱产生的压强相等这一现象,通过计算大气所支持的这段水银柱产生的压强来求得某地某时的大气压的值.如果这段水银柱高为76厘米.则
P大气=P水银柱=ρ水银gh
=13.6×103千克/米3×9.8牛/千克
×0.76米≈1.01×105帕.
讲完后,为加深对大气压的理解.可让学生思考下列问题:
1.若管内水镇面上不是真空.在灌入水银时不小心混入了气泡,大气压是否仍等于水银柱产生的压强?
2.既然水银柱由大气压强所支持,换言之,大气压力把水银压了76厘米高,那么把管顶敲破或在70厘米处开一小口,水银是否会被压出来了(若学生持有疑问,可用水代替水银做实验.将两端开口的玻璃管一端用止水夹封闭,后松开来演示)若要将水银压出来须具备什么样的条件?
3.若管内装的是煤油或水,要看见类似水银柱的现象(即上方也是真空),玻璃管需多长?实验中玻璃管的粗细是否对结果有影响?
4.是否有其它巧妙办法可测出大气压强的值呢?(如用吸盘、弹簧秤和刻度尺来估测)
