崔胜玉

1648年，有一位法国物理学家表演了一个著名的实验。他用1个密闭的装满水的桶，在桶盖上插入1根细长的管子，从楼房的阳台上向细管子里灌水，结果只用了几杯水，就把桶压裂了，桶里的水从裂缝中流了出来。这对许多人来说是不可思议的。这就是历史上有名的帕斯卡桶裂实验，而这位法国物理学家就是布莱士·帕斯卡（Blaise Pascal）。

幾杯水为什么能使桶破裂呢？其中的奥秘就是我们常常提到的压强。一个容器里的液体，对容器底部（或侧壁）产生的压力远大于液体自身的重量，液体中的压强等于密度、深度和重力加速度常数之积（p=ρ gh）。在这个实验中，由于细管子的容积较小，但深度很大，几杯水灌进去，深度一再增加，则下部的压强越来越大，其液压终于超过木桶能够承受的上限，木桶随之裂开了，是不是有点匪夷所思呢？如果您想近距离了解水中压强这个科学概念，欢迎到中国科技馆“儿童科学乐园”展厅，体验“压力喷泉”和“压水圉”2个展品，让您在互动体验中直观感受水中压强的所在。

压力喷泉

展品“压力喷泉”由转动手轮、注水管道、水泵、船帆外形的容器等组成。船帆钋形的容器上有多个高度不同但大小相同的流水孔。观众转动手轮启动水泵，将水注入船帆外形的容器中，流水孔有水流喷出，水流喷射的距离长短不一，但也有规律可循，处于容器中间位置的流水孔喷射的水流较远，而处于容器较高或者较低位置的流水孔，水流喷射的距离相对较近。为什么会产生这样的现象呢？答案就是水中的压强。

为了方便理解，我们简化展品效果图为示意图（如图2），将船帆外形的容器简化为1个水管，假设水管中水量一直是满的，对水流喷射的距离与液体压强之间的关系进行推导。

首先，推导水流水平初速度与压强之间的关系。我们将流水孔所在的截面以上的水体看为一个整体，根据能量守恒原则，在忽略摩擦力损耗的前提下，管中水减少的势能将全部转化为小孔中射出水的动能，可以根据公式（1）计算出水平初速度（h为水深）。

其次，推导水流下落的时间，我们以B孔为例。假设水面距离地面的高度为H，B孔离水面血（即为水深），所以B孔距离地面高度H-h，根据公式（2），计算下落的时间。

最后，根据公式（3）计算水平距离S。

也就是说，当流水孔处于水管的中间位置时，水流喷射的水平距离最远。水流喷射的水平距离与水流的初速度和下落时间相关，水中压强的存在使得高度不同的流水孔出水的初速度不同，流水孔距地面的高度确定了下落的时间，因此展品会出现喷水距离远近不一的现象，通过推导我们也明白了“处于容器中间位置的流水孔喷射的水流较远，而处于容器较高或者较低位置的流水孔，水流喷射的距离相对较近”这一现象背后的科学原理，直观感受到水中压强的存在。

压水圈

展品“压水圈”由有机玻璃圆桶、水、压杆和环形气泡机组成。观众通过快速按下压杆，桶的底部形成环状气泡，环状气泡在水中会不断上浮，并在上浮的过程中变得越来越大，当到达水面时就消失在空气中。

环状气泡在水中上浮逐渐变大的原因也是水中压强的作用。水体内部向各个方向都有压强，在同一深度向各个方向的压强都相等。水的深度越深，压强越大。当有机玻璃圆桶底部形成环状气泡后，环形气泡水平方向的压强都是相同的，因此，环形气泡不会在水平方向上移动。但是环形气泡顶部与底部在水中的深度不同，将会形成压强差，并且底部的压强大于顶部压强，所以环形气泡由于水中压强的作用会趋于向水面上浮动，不过在上浮的过程中液压逐渐变小，环形气泡周围的压强变小，所受压力逐渐变小，气泡会逐渐变大膨胀。展品“压水圈”也能让我们直观地感受到水中压强的存在。

孩子在幼年阶段认识事物，容易被事物的外部的、直观的表面现象吸引，随着年龄的增长，逐渐就会对事物的内在的本质属性进行深入思考。2017年教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》中要求孩子能从具体现象与事物的观察、比较中，提出可探究的科学问题，在教师引导下，能依据证据运用分析、比较、推理、概括等方法俞析结果，得出结论。2019年6月1日新亮相的中国科技馆“儿童科学乐园”展厅总面积达3900平方米，设置128件展品。展品通过直观科学现象展示科学概念，向孩子们抛出了许多可以探究的科学问题。热爱科学、喜欢科学的小朋友，欢迎来到“儿童科学乐园”找出那些可以探究的科学问题，一起体验科学，快乐成长吧！