“流體壓強與流速關系”的實驗改進

王 笑

(宿遷市鐘吾國際學校 江蘇 宿遷 223800)

“流體壓強與流速關系”的實驗改進

王 笑

(宿遷市鐘吾國際學校 江蘇 宿遷 223800)

流體壓強與流速的關系是蘇科版物理第十章第三節“氣體的壓強”第2課時，它既是對液體壓強、氣體壓強知識的延伸，同時也為后面學習浮力奠定了基礎.教材的“口吹薄紙”“硬幣跳高”等實驗，設計學生通過用口吹氣的方式改變流體的流速從而改變流體的壓強，但在實際教學中用口吹氣的力度和時間不容易控制，實驗現象有時會不明顯或持續時間短暫，不便于在有限的課堂時間內總結實驗規律，而且這些實驗都不能直接反映壓強的變化.為此，筆者對教材中傳統的實驗進行了改進.

1 “天女散花”實驗引課

教材上采用設置疑問引入新課：“人類通過模擬鳥的翅膀制造了飛機的機翼，從而實現了遨游天空的夢想.是什么力量使飛機升空的呢？”鳥的飛行依靠翅膀抖動和飛機依靠發動機向后噴氣(機翼不動)類比差距實在是太大，不容易引起學生對兩者可比性的思考，且學生對鳥的翅膀和飛機的機翼形態認識并不那么細致，教材引課不夠生動有趣，且脫離學生認知水平.

為改進教學，筆者設計小實驗“天女散花”進行引課，具體實驗如下：

如圖1所示，將彩色碎紙片放入塑料杯中，手握洗衣機的排水管一端，使其靠近紙片，保持下半部分不動，另一只手握住上半部，使其在空中快速轉動.

圖1 “天女散花”實驗裝置

實驗時會看到紙屑從管口中飛出，如圖2所示，通過落英繽紛的景象，激發學生的好奇心.通過設問“紙屑為什么能從運動的管口飛出來？”激發學生的興趣與求知欲，將學生學習的熱情充分調動起來.通過簡單對比分析，學生容易得出紙屑飛出與管口運動有關，也即與管口空氣流動速度有關.這樣的引課生動、自然.

圖2 “天女散花”實驗現象

2 漏斗吹球實驗

圖3所示的漏斗吹球實驗是在教材的“課外實踐與練習”中出現的，筆者認為實驗安排有如下不妥之處：

(1)該實驗為課外實踐活動，漏斗作為實驗室專用器材，學生課外實踐不易獲取.

(2)用口接觸吹氣不衛生，學生不愿意做.

(3)吹氣時間過短或吹氣力度過小，乒乓球在重力的作用下很容易掉落，實驗效果不好.

圖3 教材中的漏斗吹球實驗

為此，筆者進行如下改進，如圖4所示，取純凈水瓶上半部分，在瓶蓋中間開一個小孔，將漏斗插入，用鐵架臺固定裝置.

圖4 改進后的漏斗吹球實驗裝置

將吹風機對準漏斗口向下吹氣，第一次時風力較小，乒乓球掉落；第二次，調節吹風機開關，加大風力，乒乓球被牢牢地“吸”住了.

用吹風機進行吹氣，無論是吹氣的時間還是吹氣的力度都比較容易控制，而且通過對比，學生很容易知道乒乓球之所以沒有掉落與氣體的流速有關，且乒乓球上方空氣流速大，壓強小.讓學生體驗利用生活中的簡單物品進行實驗，既可以拉近物理學與生活的關系，又方便學生得出結論.

3 探究液體壓強與流速的關系

教材設置的實驗都是研究氣體在流動時其壓強的變化，那么對于液體而言，規律是否相同呢？教材并沒有探究.如果課堂上不做液體壓強與流速的關系實驗，由氣體實驗得到的結論推廣到流體也有同樣結論有些牽強，對學生不具說服力.

為此，筆者設計了一個操作簡單、現象明顯的分組實驗，如圖5所示,注入水的水槽中漂浮著兩個純凈水瓶蓋，用注射器向瓶蓋中間噴射水流.

實驗中觀察到兩只瓶蓋向中間靠攏，引導學生分析得出液體壓強與流速的關系，綜合前面氣體流速與壓強關系，從而總結出流體壓強與流速的關系，結論更為可信.

圖5 探究液體壓強與流速關系實驗裝置

4 DIS數字化實驗

筆者引入DIS數字化實驗，通過壓強傳感器，可以直接測出流體在不同流速下壓強的大小.

如圖6所示，將傳感器、數據采集器與裝有相應軟件的計算機相連.將壓強傳感器一端的橡皮管與待測氣體連通，經過數據的傳輸與轉化，即可在電腦上顯示出壓強的具體數值.

圖6 DIS數字化實驗探究流體流速與壓強的關系

此外，筆者還自制了一個機翼模型：下方齊平，上方凸起.當氣流從前方吹來，在相同的時間內，經過模型上方的路程大于下方的路程，所以模型上方氣體的流速大于下方氣體的流速，引導學生利用剛才的實驗結論比較模型上下方氣體壓強的大小，如果差值足夠大，會發生什么現象？教師使用鼓風機將模型吹起，如圖7所示，從而驗證了學生的猜想.

圖7 自制機翼模型驗證流體流速與壓強關系

師生合作操作用壓強傳感器分別測出模型上、下方的氣壓.某次實驗中采集到的數據如表1所示.

表1 采集到的實驗數據

續表

由表1可見，0～5 s，測的是風速為零時的氣體壓強97.1 kPa；6 s～11 s，測量模型下方的氣體壓強96.8 kPa；12 s～18s，測量模型上方的氣體壓強96.6 kPa；19 s～22 s，關閉鼓風機時所測氣體壓強97.1 kPa.從直觀的數據入手，非常容易地再次驗證了流體壓強與流速的關系：流速大的地方壓強小.

傳統的教學中，流體壓強與流速的關系都只是定性研究，沒有進行定量研究.引入DIS數字化實驗，通過壓強傳感器，直接測出了流體壓強的大小，不僅使實驗結論更具有說服力，而且突破了教學的重、難點，學生在得出結論時難度大大降低.這是信息技術與物理學科的融合，有利于提高學生的實驗探究能力.

2017-03-24)