利用簡易紋影裝置觀察空氣流動

王志娟

Observation of Air Flow Using a Simple Schlieren Device

WANG Zhijuan

（Yunnan Chuxiong Development Zone Yong’an Primary School， Chuxiong Yi Autonomous Prefecture， Yunnan 675099）

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.24.044

實驗原型及不足

筆者在執教《熱空氣和冷空氣》一課時，發現如下問題：

紙蛇轉動探究熱空氣的流向實驗：受室內干擾因素較多，如開窗、空調都會使紙蛇不同程度轉動；當紙蛇轉到一定程度，沒有熱空氣的情況下吊繩的作用也會使紙蛇轉動；紙蛇轉動始終是間接感知，直觀性不強。

冷空氣流動方向實驗：教材未單獨針對冷空氣流向給出具體的活動內容。

冷瓶、熱瓶收集煙霧探究熱、冷空氣的循環流動實驗：出于環保角度市面鮮少有濃烈煙霧的線香或蚊香，收集煙霧現象并不像教材那么明顯；實驗中學生僅能看到煙霧受熱上升、遇冷下降的單次過程，對理解“空氣總是在循環運動的”較困難。

實驗器材

紋影裝置：手機及手機支架、凹面鏡、升降臺。

待測對象：蠟燭、火柴、冰凍后的水。

實驗原理及改進

1.實驗改進

本課實驗教學創新點主要是利用紋影技術將不可被肉眼看見的氣流變化轉變為可視化圖像。運用紋影技術學生能夠直觀地看到熱、冷空氣的流動方向以及空氣是如何循環流動的。

傳統紋影裝置所需的設備有：光源、聚光鏡、透鏡、刀片、成像設備，準備好這些材料后還需要專業組裝、調試，非專業的人員操作起來難度較大。改進后的紋影裝置（如圖1）只需用到手機和凹面鏡。在手機閃光燈處粘貼黑色打了小孔膠帶，打開閃光燈就能獲得點光源，用手機拍攝取代相機，利用凹面鏡具有聚光、反射的作用完成本課實驗教學。

2.實驗原理

紋影技術是一種重要的流場可視化手段，其作用原理：將被測對象置于光源及光學元件構成的平行光路中，利用氣流對光波的擾動，將不可被肉眼看見的氣流變化轉變為可以被看見的圖像。利用改進后的紋影裝置進行教學時，學生只需調整好兩者之間的距離，然后在實驗測試區內也就是手機和凹面鏡之間放置待測對象，通過手機攝像便能清晰看到空氣的流動方向；空氣受熱會向上流動，空氣遇冷會向下流動的；空氣總是在循環流動，空氣的流動形成風。

實驗步驟

1.情境導入，聚焦問題

（1）觀看風起云涌的視頻片段，提問：這其中有哪些你想要的探究的科學問題？

（2）聚焦問題：風是怎樣形成的，風的形成與熱、冷空氣有什么關系？

2.探究熱空氣流動的方向

（1）提問：如何得到熱空氣？

利用點燃蠟燭的方式能使周圍的空氣熱起來。

（2）討論：空氣受熱后在流動嗎，流動的方向是怎樣的？

（3）測試：將點燃的蠟燭放置在紋影實驗測試區，從拍攝到的畫面中可以看到，空氣受熱向上流動（如圖2）。

（4）結論：空氣受熱向上流動。

3.探究冷空氣流動的方向

（1）提問：怎樣使周圍的空氣溫度降低？

（2）討論：空氣遇冷后在流動嗎，流動的方向是怎樣的？

（3）測試：將冰棍或者是冰水放置在實驗測試區，可以看見冷空氣向下流動（如圖3）。

（4）結論：空氣遇冷向下流動。

4.觀察熱、冷空氣的流動

（1）提問：空氣受熱上升、遇冷下降，如果將二者結合起來觀察熱、冷空氣在一起時是怎樣流動的，在測試區內該如何放置蠟燭和冰水？

（2）現象：空氣受熱上升遇冷瓶下降，下降的冷空氣遇熱氣流又上升，再下降，這是一個循環往復的過程（如圖4）。

（3）總結：空氣總是在循環運動的，空氣的流動形成風。

5.拓展延伸

解釋紙蛇轉動的奧秘、火爐和煙囪的設計原理、線香香霧的流動方向、熱氣球和孔明燈升空的原理。

遷移運用：暖氣片為何要安置在房間的低處、冰柜的門為什么可以長時間打開？

實驗優點

本課實驗教學采用的這套紋影裝置可同時用于熱空氣流動、冷空氣流動、空氣循環流動3個探究活動，一舉多得。

1.創新實驗教學模式，運用空氣可視化工具，有效解決了原有教材現象不明顯，操作煩瑣的問題。

2.實驗建構具有層次性，在探究熱、冷空氣流動方向的基礎上，探究風的形成原因，解釋生活現象，符合學生認知水平。

3.改進后的紋影裝置取材方便，操作簡單，現象明顯。