對兩個有關“流體壓強與流速關系”實驗的探究

劉劍鋒 郭云華 賴益航

(1. 贛南師范大學物電學院，江西 贛州 341000； 2. 鳳崗中學，江西 贛州 341000)

“流體壓強與流速關系”是與生產生活聯系非常緊密的一節初中物理課,廣大教師針對該內容開發了許多有趣的生活化小實驗,其中有硬幣跳高和紙杯跳高實驗簡單有趣,流傳廣泛,但這兩個實驗解釋的合理性值得懷疑,下面介紹筆者對實驗的探究情況．

1 對硬幣跳高實驗的探究

圖1 硬幣跳高

如圖1,水平桌面邊沿放一枚一角錢的硬幣,在硬幣前面橫放一把直尺做欄桿,蹲下身,貼近硬幣水平吹氣,結果硬幣像乒乓球一樣跳起來飛過直尺．這個實驗取材方便,現象有趣,還可以像打乒乓球一樣由兩位同桌學生進行吹硬幣比賽,所以深受教師青睞,常常用于課堂的趣味導入．目前該實驗的流行解釋是,吹氣時硬幣上方的氣體流速大,造成壓強減小,而硬幣下方的空氣沒有流動,壓強仍保持為大氣壓強,于是硬幣上下表面產生一個壓強差,從而把硬幣抬起,硬幣抬起后在氣流的沖擊作用下向前飛過尺子．但其原因也有可能是氣流進入了硬幣與桌面間的空隙,從而把硬幣抬起來的．到底哪個才是主要原因呢,筆者設計了幾個實驗進行探究．

要設計一個判決性實驗并不難,只要不讓吹出的氣流進入硬幣與桌面之間的空隙就行了．為此,筆者用喝奶茶的大吸管吹氣．吹氣時,吸管一端含在嘴里,另一端稍伸入到硬幣上方以免氣流進入硬幣與桌面間的空隙,同時,為增大流速及作用面積,吸管盡量捏扁些．實驗現象出人意料,硬幣竟然紋絲不動,換用質量更小的鋁質一角硬幣,結果相同．后來,筆者還將硬幣置于水平放置的鐵紗窗網上后水平吹氣,這樣即使氣體進入硬幣下方,也無法形成抬起硬幣的氣流,結果硬幣也無法跳起．這兩個實驗現象說明讓硬幣飛起的原因并不是由于壓強與流速的關系,而是氣流進入硬幣與桌面間的空隙,把硬幣頂起來了．

為了弄清吹氣時由于流速的原因造成硬幣上下表面的壓力差大概有多大,筆者找來感量為0.1g的電子秤,將硬幣水平放置在秤上,按照前面的方法用吸管吹氣,結果又出人意料,電子秤的讀數不但沒有減小,反而增大了．面對這個反常的實驗現象,筆者仔細思考后發現,關鍵是我們在研究中過于理想化,沒有考慮到氣流的擴散問題．也就是說我們雖然是水平吹出的氣流,但氣流離開吸管后并不能保持水平流動,而是像喇叭口一樣向外擴散開來(可用煙代替空氣顯示這個現象),于是氣流還會對硬幣和電子秤產生一個向下的壓力．總的來看,這個向下的壓力反而大于由于流速原因產生的升力,因而造成電子秤的示數增大．那么為減小由于擴散造成的氣流對硬幣向下的沖擊力,是否能改成用吸管斜向上吹氣呢?經過筆者嘗試,發現硬幣仍然紋絲不動．其原因可能此時氣流離硬幣表面有一定距離,造成硬幣上下表面流速差不夠大,因此無法抬起質量較大的硬幣,另外,也不可能完全避免擴散氣流的影響．最后,筆者從A4紙上剪下一塊與硬幣同樣大小的圓形薄紙片來代替硬幣試試,結果薄薄的紙片終于浮了起來．看來,只要物體的質量足夠小,即使沒有氣流進入硬幣與桌面間的空隙,這個實驗還是能夠做成功的．

在查找流體壓強與流速關系的實驗資料中,筆者還發現有教師將硬幣放置在一個飲料瓶蓋中,然后在瓶蓋上方水平吹氣,硬幣也能跳出．其原因顯然也是因為氣流進入硬幣下表面將其頂起來的．

2 對紙杯跳高實驗的探究

圖2 紙杯跳高

紙杯跳高實驗的方法如圖2所示,將兩紙杯疊在一起,然后在杯口水平吹氣,這時內杯會跳起．該實驗最早是用于大氣壓強實驗,它的解釋是有氣流進入兩杯間的空隙,于是空隙間的氣體壓強增大,把內杯給頂起來了．可隨著時間的推移,該實驗的解釋變成了用流體壓強與流速關系(伯努利原理)來解釋,認為杯口的空氣流速大,而兩杯底間的空氣可認為流速為0,因而產生一個壓強差,從而把內杯給頂起來了．那么到底哪個解釋更合理呢?筆者將外杯杯底剪去,重新進行實驗,結果發現,內杯再也不能跳起來．由于剪去外杯底并沒有影響內杯杯口和杯底下表面的空氣流速,如果流體壓強與流速關系解釋正確的話,實驗現象應該不變化,但實驗現象卻是內杯不跳起,因此用流體壓強與流速關系來解釋是錯誤的．

3 對人教版教材編寫的建議

物理教材人教版8年級下冊第9章第4節“流體壓強與流速的關系”采用了硬幣跳高實驗作為導入實驗,該書編者似乎意識到了氣流可能會進入硬幣與桌面之間這個問題,所以在最新版教材中做了改進,特意說明要在硬幣與嘴之間放上一本厚度與硬幣相當的筆記本(以防止氣流進入硬幣與桌面間的空隙)．那么,放上一本筆記本后真能防止氣流進入空隙嗎?從筆者前述的實驗討論中不難發現,如果氣流不能進入硬幣與桌面間的空隙,硬幣不可能跳起，因此,教材改進后實驗仍然存在問題．如果按筆者前述方法,用紙片代替硬幣,用吸管在紙片上表面稍斜向上吹氣,雖然避免了錯誤,但效果不夠理想,趣味性不高．建議人教版教材再版時刪除此實驗,用其他實驗代替(如從蠟燭火焰側面用吸管吹氣火焰向吹氣一側偏斜、吹紙橋實驗等)．

4 從失誤中尋找探究學習資源

從前述分析可知,上述兩個實驗用于“流體壓強與流速的關系”的新課教學顯然是不夠恰當的,但這兩個實驗卻是非常難得的適合各層次學生進行探究學習的優質資源．首先,這兩個實驗現象明顯有趣,能很好地激發學生的學習興趣和學習動機．其次,這兩個實驗現象提出的都是結構不良化問題,猜想豐富,具有極好的探究性,特別是硬幣跳高實驗,在探究過程中會不斷地產生新的問題,極具挑戰性．第三,探究應處在已知與未知之間，這兩個實驗涉及到的內容基本上是學生已經學過的內容,但其解釋卻又是未知的,因此較適合學生的探究認知水平．第四，對硬幣跳高實驗的探究可深可淺,對高中和大學生可以進行深入探究,對初學者可以探究到哪種解釋正確就行了,初學者如要更深入地探究,則應補充伯努利方程知識．第五,這兩個實驗取材經濟方便,來源于生活,任何條件的學校都可實施,不存在條件不足的問題．

我們可以在學生學完壓強一章內容后,請學生在課外實驗并探究，也可在復習課時專門在課堂上組織學生進行探究學習,這既能激發學生學習興趣,培養學生的探究學習能力,也能復習鞏固和活化所學物理知識．

參考文獻：

1 柳利芳.使“硬幣起飛”的吹氣速度[J].物理教學, 2007(3):25-25.

2 趙光平, 曾平飛, 羅星凱. 真有探究發生嗎——也談試題探究點的定位[J]. 基礎教育課程, 2011(4):70-73.

3 彭前程. 義務教育課程標準實驗教科書物理九年級[M].北京:人民教育出版社,2006:91.

4 彭前程. 義務教育課程標準教科書物理八年級下冊[M].北京:人民教育出版社,2012:44.