师:同学们好,今天我们学习课本第八章第一节——认识压强。要认识压强,首先得知道什么是压力,以及压力作用在物体上会产生什么效果。我们将通过实验探究压力作用效果的影响因素,进而了解压强这个物理量,并理解其物理意义。
之前我们已掌握认识力的基本方法,即通过力的作用效果来认识力。力作用在物体上,可使物体发生形变,也能改变物体的运动状态,力的作用效果受大小、方向、作用点这三个因素影响。随着学习深入,我们接触到许多种力,物理学把各种力按性质进行分类,包括重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力、分子力、核力等等。研究某种性质的力时,还可根据其实际作用效果再分类,比如研究弹力时,根据实际作用效果可分为压力、拉力、支持力等等。
今天我们先从认识压力开始,请同学们看课本图8 - 2,墨水瓶对桌面的压力为FA,重物对传送带的压力为FB。观察这两个压力的示意图,找一找它们的作用点、位置和压力方向有哪些共同点。
生:(观察思考)
师:仔细观察会发现,两个压力的作用点都在物体的接触面上,压力方向虽不同,但都垂直于接触面。物理学中,把垂直作用在物体表面上的力叫做压力。请同学们看课本图8 - 1,在图中作出载重卡车的车轮对路面的压力以及图钉尖对木板的压力的示意图。
生:(开始作图)
师:同学们画好了吗?接下来老师画这两个压力的示意图。车轮对路面的压力,作用点在水平路面上,方向垂直于水平路面向下;图钉尖对木板的压力,作用点在木板表面,方向垂直于木板表面向左。同学们,你们画对了吗?了解完压力的作用点和方向,接下来研究压力大小有哪些特点。看图甲,物体静止在水平面上,物体的重量全部压在水平面上,此时物体对水平面的压力大小等于物体的重力大小。是不是所有压力大小都等于重力呢?请同学们看乙图,研究表明,同一物体静止于斜面上时,它的重量并没有全部压在斜面上,此时物体对斜面的压力小于物体自身的重力。再看丙图,图钉尖对木板的压力大小取决于手指对图钉的压力大小,这种情况下,图钉尖对木板的压力大小与图钉自身的重力大小没有关系。
综上所述,压力大小并不总等于物体的重力大小,只有物体静止于水平面上时,物体对水平面的压力大小才等于物体重力大小。了解了压力的三要素,接下来看看压力作用在物体上会产生什么效果。我们看两个例子,挤压海绵时,海绵受压力作用发生了形变;挤压弹簧床时,弹簧床受压力作用也发生了形变。可见,压力作用在物体表面会使物体发生形变。有些压力产生的形变很微小,肉眼不易察觉,需借助特殊手段才能观察到,比如打网球时,网球和球拍之间的压力使彼此都发生了形变;子弹击中防弹头盔,子弹和防弹头盔之间的压力使彼此也发生了形变。研究表明,一切物体表面受到压力时都会发生形变。有时我们希望压力产生的形变效果弱一些,比如重型卡车的车轮又宽又大,重型运输车安装了许多车轮,这样就减弱了压力的作用效果,不易压坏路面。有时我们希望压力产生的形变效果强一些,比如图钉尖和注射器针头都做得很尖锐,这样就增强了压力的作用效果,更容易嵌入物体。那么压力的作用效果究竟与哪些因素有关呢?请同学们先跟老师做两个小实验,器材只需一支笔。
第一个小实验,手指以大小不同的力按压笔尖,对手指的反作用力使手指表面发生凹陷,请同学们仔细观察手指表面的凹陷程度,比较笔尖对手指压力的作用效果。
第二个小实验,用手指抵住笔尖和笔尾,保持水平静止,观察两手指受压力作用的面积大小以及两手指表面的凹陷程度,比较两手指所受压力的作用效果。
生:(进行实验并观察)
师:通过以上实验,请同学们猜想一下,压力的作用效果与哪些因素有关呢?
生:我们猜想压力的作用效果可能与压力大小和受力面积大小有关。
师:接下来我们设计实验验证一下。考虑到可能的影响因素有两个,我们运用控制变量法进行实验探究。保持受力面积不变,改变压力大小,就可以探究压力对压力作用效果的影响;保持压力不变,改变受力面积大小,就可以探究受力面积对压力作用效果的影响。课本为我们提供了三套实验器材的组合,结合实际,老师选择了小方桌模型、重物、玻璃水槽和细沙进行实验。要完成实验探究,我们还要解决三个问题。
第一个问题,实验中我们该如何判断压力作用效果强弱呢?
生:可以比较小方桌陷入沙子的深度,越深表明压力作用效果越明显。
师:第二个问题,实验中我们该如何改变压力大小呢?
生:可以在小方桌上加重物,增大压力。
师:第三个问题,实验中我们该如何改变受力面积大小呢?
生:可以分别使桌腿或桌面接触沙子表面,就可以改变受力面积大小了。
师:准备工作完成,接下来我们开始实验。
实验步骤一,让小方桌的桌腿与沙子表面接触,轻轻释放,观察到桌腿陷入沙子的深度较浅。
实验步骤二,保持小方桌的桌腿与沙子表面接触,在小方桌上加重物,观察到桌腿陷入沙子的深度较深。对比两次实验数据,第一次实验压力较小,桌腿下陷深度较浅,压力作用效果较弱;第二次实验加上重物后接触面压力更大,桌腿下陷深度更深,压力作用效果明显。总结得出实验结论,受力面积相同,压力越大,压力作用效果越明显。
