研究生活中的伯努利，培養(yǎng)學生物理思維

摘 要：借全省實施多樣化課程東風，在我校實施多樣化課程的過程中，筆者基于伯努利原理的觀賞性、趣味性，可大大增強學生對流體壓強的感性認識，筆者從多角度、多層次介紹基于伯努利原理的幾個趣味性演示實驗.這些演示實驗取材方便、制作簡單，實驗現(xiàn)象明顯、趣味性強、有效的拓展學生的物理視野，培養(yǎng)了學生的物理思維能力。

關(guān)鍵詞：伯努利原理；流體的壓強；思維能力

高中教育是人才培養(yǎng)的重要階段，當下通過深化普通高中的課程改革，推進普通高中的多樣化發(fā)展，針對物理學科的特點，建立物理拓展型課程具有得天獨厚的優(yōu)勢，將物理生活化，生活物理化，關(guān)注不同資質(zhì)學生的不同需求，培養(yǎng)學生物理的思維能力，相對于基礎(chǔ)型課程中的核心育人價值而言，拓展型課程的育人價值則集中于學生不同基礎(chǔ)的發(fā)展導向，即為學生個性發(fā)展提供有效的支持與保障。注重學生適應能力和遷移能力的培養(yǎng)將有助于使拓展型課程獨有的育人價值清晰化、可操作化。在我校實施多樣化課程的過程中筆者基于伯努利原理的觀賞性、趣味性，可大大增強學生對流體壓強的感性認識，拓展學生的物理視野和探究欲望.，筆者從多角度、多層次介紹基于伯努利原理的幾個趣味性演示實驗.這些演示實驗取材方便、制作簡單，實驗現(xiàn)象明顯、趣味性強、教學效果突出。

一、伯努利原理概況

丹尼爾·伯努利在1726年首先提出的原理的內(nèi)容是：在水流或氣流里，如果速度小，壓力就大，如果速度大，壓力就小。

圖1說明了這個原理。向AB管吹進空氣。如果管的切面?。ㄏ馻處），空氣的速度就大；而在切面大的地方（像b處），空氣的速度就小。在速度大的地方壓力小，速度小的地方壓力大。因為a處的空氣壓力小，所以C管里的液體就上升；同時b處的比較大的空氣壓力使D管里的液體下降。

在圖2中，T管是固定在銅制的圓盤DD上的；空氣從T管里出來以后，還要擦過另外一個跟T管不相連的圓盤dd。倆個圓盤之間的空氣的流速很大，但是這個速度越接近盤邊降低得越快，因為氣流從兩盤之間流出來，切面在迅速加大，再加上慣性在逐漸被克服，但是圓盤四周的空氣壓力是很大的，因為這里的氣流速度??；而圓盤之間的空氣壓力卻很小，因為這里的氣流速度大。因此圓盤四周的空氣使圓盤互相接近的作用比兩圓盤之間的氣流要想推開圓盤的作用大；結(jié)果是：從T管里吹出的氣流越強，圓盤dd被吸向圓盤DD的力也越大。

圖3和圖2相似，所不同的只是用了水。如果圓盤DD的邊緣是向上彎曲的，那么在圓盤DD上迅速流動著的水會從原來比較低的水面自己上升到跟水槽里的靜水面一般高。因此圓盤下面的靜水就比圓盤上面的動水有更高的壓力，結(jié)果就使圓盤上升。軸P的用途是不讓圓盤向旁邊移動。

圖4畫的是一個飄浮在氣流里的很輕的小球。氣流沖擊著小球，不讓它落下來。當小球一跳出氣流，周圍的空氣就會把它推回到氣流里，因為周圍的空氣速度小，壓力大，而氣流里的空氣速度大，壓力小。

圖5中的兩艘船在靜水里并排航行著，或者是并排地停在流動著的水里。兩艘船之間的水面比較窄，所以這里的水的流速就比兩船外側(cè)的水的流速高，壓力比兩船外側(cè)的小。結(jié)果這兩艘船就會被圍著船的壓力比較高的水擠在一起。

如果兩艘船并排前進，而其中一艘稍微落后，像圖6所畫的那樣，那情況就會更加嚴重。使兩艘船接近的兩個力F和F，會使船身轉(zhuǎn)向，并且船B轉(zhuǎn)向船A的力更大。在這種情況下，撞船是免不了的，因為舵已經(jīng)來不及改變船的方向。

在圖5中所說的這種現(xiàn)象，可以用下面的實驗來說明。把兩個很輕的橡皮球照圖7那樣吊著。如果你向兩球中間吹氣，它們就會彼此接近，并且互相碰撞。

二、伯努利原理探究實驗設(shè)計—電吹風吹乒乓球

1.實驗設(shè)備

乒乓球、卷尺、量角器、電吹風（品牌：貝爾夫 型號：BEF-2263 功率：1600W 電壓：220V～ 頻率：50Hz）

2.實驗方法與步驟

（1）風速不變，溫度改變情況

① 將電吹風的風速控制在低速（一檔），溫度控制在冷風，測量并記錄此時的風速和溫度；

② 電吹風出風口豎直向上，觀察乒乓球是否能懸浮，若能懸浮則記錄傾斜角度和懸浮高度；

③ 將電吹風順時針傾斜一定角度，觀察乒乓球是否能懸浮，若能懸浮則記錄傾斜角度和懸浮高度；

④ 改變傾斜角度，重復步驟③，直至乒乓球不能懸浮，即找到最大傾斜角，記錄傾斜角度和懸浮高度；

⑤ 電吹風的風速依舊控制在低速不變，將溫度調(diào)至暖風，測量并記錄風速和溫度，重復步驟②～④；

⑥ 將電吹風的風速換成高速（二檔），再次重復步驟①～⑤。

（2）溫度不變，風速改變情況

① 將電吹風的溫度控制在冷風，風速控制在低速（一檔），測量并記錄此時的溫度和風速；

② 電吹風出風口豎直向上，觀察乒乓球是否能懸浮，若能懸浮則記錄傾斜角度和懸浮高度；

③ 將電吹風順時針傾斜一定角度，觀察乒乓球是否能懸浮，若能懸浮則記錄傾斜角度和懸浮高度；

④ 改變傾斜角度，重復步驟③，直至乒乓球不能懸浮，即找到最大傾斜角，記錄傾斜角度和懸浮高度；

⑤ 溫度不變，風速調(diào)至高速（二檔），記錄溫度和風速，重復步驟②～④；

⑥ 將電吹風的溫度換成暖風，再次重復步驟①～⑤。

3.實驗測量與記錄

表一 乒乓球在高速熱風連續(xù)吹的情況下角度與高度關(guān)系

高速熱風

角度θ（度）0.012.117.022.024.227.931.033.234.1

高度h（cm）24.9225.3126.3526.4126.4827.8627.8827.9529.73

表二 乒乓球在高速冷風連續(xù)吹的情況下角度與高度關(guān)系

高速冷風

角度θ（度）0.04.111.214.417.024.125.330.034.0

高度h（cm）23.1423.4823.5125.1225.1825.4125.8426.9828.67

表三 乒乓球在低速熱風連續(xù)吹的情況下角度與高度關(guān)系

低速熱風

角度θ（度）0.026.931.133.038.140.245.047.249.4

高度h（cm）5.305.745.857.8710.1410.8312.6813.3013.95

表四 乒乓球在低速冷風連續(xù)吹的情況下角度與高度關(guān)系

低速冷風

角度θ（度）0.016.826.937.841.844.947.150.051.0

高度h（cm）4.784.825.286.377.128.6612.2712.3113.42

4.實驗結(jié)果預測及分析

圖9 乒乓球在高速熱風及高速冷風連續(xù)吹的情況下角度與高度關(guān)系對比圖

注：高速熱風時，最大傾斜角為34.1°；高速冷風時，最大傾斜角為34.0°

圖10 乒乓球在低速熱風及低速冷風連續(xù)吹的情況下角度與高度關(guān)系對比圖

注：低速熱風時，最大傾斜角為49.4°；注：低速冷風時，最大傾斜角為51.0°

5.實驗結(jié)論

（1）在同一風速檔下，無論是用熱風檔還是冷風檔，對乒乓球能懸浮的最大傾斜角影響不大。

（2）在同一風速檔下，熱風檔和冷風檔都能將乒乓球懸浮起來，用熱風檔時小球懸浮的高度比用冷風檔時要高。

（3）在同一溫度檔下，高速檔和低速檔都能將乒乓球懸浮起來，用高速檔時小球懸浮的高度比用低速檔時要高。

（4）隨著傾斜角的增大，乒乓球能懸浮的高度也隨之增加，當達到最大傾斜角時，高度也達到最大值。一旦越過這個最大傾斜角，小球?qū)⒉辉賾腋　?/p>

圖11 實驗演示過程

三、伯努利原理在生活中的運用

在我們的日常生活中，處處充滿著科學原理?！安F(xiàn)象”也無處不在，在體育項目，汽車發(fā)動機中等等。

（1）球類比賽中，乒乓球運動員和足球運動員常發(fā)出高速旋轉(zhuǎn)的球，使球兒在空中沿各種弧線運動而偏離正常的軌道，令對方防不勝防，判斷失誤。人們把這種球叫“弧圈球”。試解釋“弧圈球”之謎。旋轉(zhuǎn)球和不旋轉(zhuǎn)球的軌道不同，是由于球周圍的空氣流動情況（流速大小）不同造成的。如水平向左發(fā)一不旋轉(zhuǎn)球，對球而言，可看作空氣向右流動，形成向右運動的氣流由于對稱性，球上下氣流的速度相同（圖12甲），對球不產(chǎn)生壓強差，從而對球不產(chǎn)生壓力差。

如果向左發(fā)出的是順時針旋轉(zhuǎn)球，那么，球周圍除了上述向右的氣流外，還要產(chǎn)生因球的帶動而隨球旋轉(zhuǎn)的氣流。在球的上側(cè)，兩種氣流的速度方向相同，疊加后速度變大；在球的下側(cè)，兩種氣流的速度方向相反，疊加后速度變?。▓D12乙）。這樣，對球就產(chǎn)生了從流速小處（球下側(cè)）指向流速大處（球上側(cè)）的側(cè)向力，使球的軌道向上彎曲，形成“弧圈球”，如圖13所示。

（2）有趣的流束戲球

取一只乒乓球，把它置于盛有少許水的容器中，并將它放在水龍頭下約一尺遠處。稍許打開水龍頭，當一束細流觸及球面時，在這束細流作用下，乒乓球?qū)⒃谒嫔献笥乙苿忧倚D(zhuǎn)不已。令人奇怪的是，盡管球心有時偏離水束作用線較遠，且又受水流的沖擊作用，但流束似乎對乒乓球有股“吸力”，使它擺脫不了流束的控制（見圖14）。

原來，當水束的沖擊力作用線偏離球心時，水流大部分從靠近沖擊點的一側(cè)沿壁瀉下，且流速較球面另一側(cè)大。由于液體流速大，壓強小，所以對乒乓球來說，受水流沖擊的一側(cè)流速大，壓強比另一側(cè)小。正是乒乓球兩側(cè)水的流速不同，引起側(cè)壓強不同，才使乒乓球總處于流束的控制下。

有趣的是，如果繼續(xù)開大水龍頭，當水流粗且急時，你可以發(fā)現(xiàn)乒乓球在水流強烈沖擊下，非但不下沉，反而呈現(xiàn)一種沿水束力向上升的趨勢（這時它左右擺動幅度大為減小，不再旋轉(zhuǎn)）。仔細觀察水這時沿球面下瀉的過程，可以發(fā)現(xiàn)這時水流觸及乒乓球頂部后是向四周散開并沿球面急速瀉下，這時球頂部水流速度遠大于球底部基本保持靜止狀態(tài)的水，因而乒乓球頂部靜壓強小于下部，其壓強之差使乒乓球獲得一個向上的升力。當這一升力大于乒乓球所受向下沖擊力及重力之和時，乒乓球就呈上升趨勢。

（3）噴霧器和汽化器的原理

噴霧器（圖15）是利用流速大、壓強小的原理制成的。讓空氣從小孔迅速流出，小孔附近的壓強小，容器里液面上方的空氣壓強大，液體就沿小孔下邊的細管升上來，從細管的上口流出后受氣流的沖擊，被噴成霧狀。

汽油發(fā)動機的汽化器與噴霧器的原理相同。汽化器是向氣缸里供給燃料與空氣的混合物的裝置，構(gòu)造原理如圖16所示。當氣缸里的活塞做吸氣沖程時，空氣被吸入管內(nèi)，在流經(jīng)管的狹窄部分時流速大，壓強小，汽油就從安裝在狹窄部分的噴嘴流出，被噴成霧狀，形成油氣混合物，進入缸。

參考文獻

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