虚拟实验室：探究影响压力作用效果的因素及压强概念

书包里的书越多，背着时肩膀会感觉更勒；同样重量的书包，用窄肩带比宽肩带背，肩膀的勒痛感也更明显。为何同样是压力作用，效果却不同？影响压力作用效果的因素有哪些？本文将借助虚拟仿真实验直观探究。

（VR+AI赋能科学教育）

实验探究

要科学探究影响压力作用效果的因素，需采用控制变量法（即控制其他变量不变，仅改变研究变量，观察实验现象的变化），通过直观的实验现象分析规律。

实验准备

四条腿的小桌子、均匀的海绵、砝码。

探究一：压力作用效果与压力大小的关系

实验目的：

控制受力面积不变，探究压力大小对压力作用效果的影响。

*本实验以 “无砝码” 和 “加1个砝码” 为主要对比组。

实验过程：

保持小桌正放（此时小桌子与海绵的接触部分为四条桌腿），待整体稳定后，观察海绵被压下的深度，记为“深度1”。在桌面上放置一个砝码（增大对海绵的总压力），待整体稳定后，观察海绵被压下的深度，记为“深度2”。

实验现象：

对比 “深度1” 与 “深度2”，未加砝码时（压力小），海绵被压下的深度较小；加入砝码后（压力大），海绵被压下的深度显著增大。

再次实验验证：

将小桌子倒放在海绵上（此时小桌子与海绵的接触部分为整个桌面），待整体稳定后，观察海绵被压下的深度，记为“深度3”。在桌上放置一个砝码（增大对海绵的总压力），观察海绵被压下的深度，记为“深度4”。

对比 “深度3” 与 “深度4”，未加砝码时（压力小），海绵被压下的深度较小；加入砝码后（压力大），海绵被压下的深度显著增大。

实验结论：

在受力面积不变的情况下，压力的作用效果与压力大小成正相关 —— 压力越大，压力作用效果越明显；压力越小，压力作用效果越弱。

探究二：压力作用效果与受力面积的关系

实验目的：

控制压力大小不变，探究受力面积对压力作用效果的影响。

实验过程：

将小桌子正放在海绵上（此时小桌子与海绵的接触部分为四条桌腿，受力面积较小），待小桌子稳定后，观察海绵被压下的深度，记为"深度1”。

再将小桌子倒放在海绵上（此时小桌子与海绵的接触部分为整个桌面），待小桌子稳定后，再次观察海绵被压下的深度，记为“深度2”。

实验现象：

对比 “深度1” 与 “深度2”可以发现，小桌子正放时（受力面积小），海绵被压下的深度更大；倒放时（受力面积大），海绵被压下的深度更小。

实验结论：

在压力大小不变的情况下，压力的作用效果与受力面积成负相关 —— 受力面积越小，压力作用效果越明显；受力面积越大，压力作用效果越弱。

结合两组探究实验的现象与分析，可得出：压力作用的效果不仅跟压力的大小有关，而且跟受力面积有关。压力越大、受力面积越小，压力的作用效果越明显。

压强

初中物理

为了更精准地描述和比较压力的作用效果，物理学中引入了 “压强” 这一物理量，将压力与受力面积的关系进行量化。

（一）压强的定义

物体所受的压力与受力面积之比，叫做压强。压强在数值上等于物体单位面积上所承受的压力，它直接反映了压力的作用效果 —— 压强越大，说明单位面积上受到的压力越大，压力产生的作用效果越明显。

（二）压强的公式与符号

若用符号表示物理量：p（代表压强）、F（代表压力）、S（代表受力面积），则压强的计算公式为：

p=F/S

（三）压强的单位

压强的国际单位是帕斯卡，简称 “帕”，符号为Pa。

单位换算关系：根据公式推导，压力单位为 “牛顿（N）”，受力面积单位为 “平方米（m²）”，因此 1 帕斯卡（1Pa）等于 1 牛顿的压力作用在 1 平方米的面积上，即：

1Pa=1 N/m²

引入压强概念后，我们可以摆脱 “仅靠现象定性判断” 的局限，通过定量计算精准比较不同情境下的压力作用效果。

物理虚拟仿真实验室

借助于物理虚拟仿真实验室，能够将物理问题情境化、物理情境动态化、物理思维可视化，让物理教学变得简单高效。