對一種“流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

嚴(yán) 慶 王金偉

（南京市上元中學(xué)，江蘇 南京 211100）

1 問題的提出

“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”是新課標(biāo)頒布后增加的內(nèi)容.[1]各版本初中物理教材針對此內(nèi)容開發(fā)了許多有趣實(shí)驗(yàn)和相關(guān)裝置.如圖1所示，是一種用來演示“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)室配套器材，也常會(huì)被用來命制相關(guān)試題.但由于這個(gè)器材所盛液體量不大，導(dǎo)致演示時(shí)間較短且不可控，實(shí)驗(yàn)效果不太理想，所以不少教師在此裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn).如圖2所示，就是前面這個(gè)裝置的升級(jí)版，換用一個(gè)較大的蓄水池裝水，在出水口裝個(gè)水龍頭控制水流，當(dāng)放水時(shí)，發(fā)現(xiàn)與窄處相連的豎管中液面比寬處相連的豎管中液面低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.

圖1

圖2

可在解釋上述現(xiàn)象時(shí)，不僅要用到流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，還需用到另一個(gè)物理知識(shí)，即連通器原理，但在現(xiàn)行初中物理教材中并未都介紹了此內(nèi)容，如筆者所在地區(qū)使用的蘇科版教材就未對此內(nèi)容有所涉及，那怎么對這套裝置稍作改進(jìn)，不需要連通器原理，也能用類似現(xiàn)象說明問題呢？

2 改進(jìn)裝置與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在初中物理教材中，“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”都是安排在氣體壓強(qiáng)內(nèi)容之后.學(xué)生對前面由于氣體壓強(qiáng)變化引起的現(xiàn)象分析較多，于是筆者據(jù)此對上述實(shí)驗(yàn)裝置與使用進(jìn)行了一些改進(jìn)，如圖3所示，即把圖1所示裝置進(jìn)行倒置，入口端變成直管，液體改為氣體.

圖3

演示時(shí)，把C端插入水中（可在水中滴入墨水，便于觀察液柱），用風(fēng)機(jī)向A端吹氣，B端出氣，觀察到C端中的液面上升，說明橫管中的氣體流動(dòng)后，壓強(qiáng)減小，外面的氣壓大于管中的氣壓，液體被壓入豎直管中.學(xué)生根據(jù)前面液體與氣體壓強(qiáng)知識(shí)作為基礎(chǔ)，不難得到結(jié)論：流體的流速越大，壓強(qiáng)越小.這個(gè)裝置的具體制作參數(shù)見圖4.

圖4

筆者用電吹風(fēng)和風(fēng)速儀測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用電吹風(fēng)的弱風(fēng)擋時(shí)，風(fēng)速約為v1=15.46 m／s（數(shù)值會(huì)上下略有波動(dòng)），液面大約上升3 cm左右，如圖5、圖6所示.

圖5

圖6

當(dāng)用強(qiáng)風(fēng)擋時(shí)，風(fēng)速約為v1=18.66 m／s，液面大約上升7 cm左右，如圖7、圖8所示.

圖7

圖8

通過強(qiáng)風(fēng)與弱風(fēng)的實(shí)驗(yàn)對比，進(jìn)一步說明流體的流速越大，壓強(qiáng)越小.

3 理論分析

注意此裝置的橫管不能設(shè)計(jì)成粗細(xì)均勻的直管，如果這樣就變成了如圖9所示的三通管.筆者曾用如圖10所示裝置實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)從橫管的一端吹氣，與豎管相連的液面不是上升而是下降，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)設(shè)的現(xiàn)象相反，不能用來演示“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”.

圖9

圖10

此裝置橫管的主流管道需要粗一些，這樣可以增加喉部氣體的流速，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，同時(shí)減少了因管壁粘滯對氣體流動(dòng)的影響.實(shí)驗(yàn)表明，主流管道的直徑大約是喉部的4倍以上效果才比較明顯，即壓差力變大，液柱上升高度較明顯.此外，主流管道與喉部間的連接要用平滑的漸擴(kuò)管，不能突擴(kuò)，以使在喉部呈現(xiàn)平行的流線，盡量符合伯努利原理的要求.另外，豎管的直徑要盡量小，否則可能影響喉部處的氣體流動(dòng).專業(yè)測量管中氣壓時(shí)，一般壁面測壓孔都是0.5 mm.當(dāng)然，由于這里只是做定性的演示實(shí)驗(yàn)，不需要那么嚴(yán)格，綜合考慮實(shí)驗(yàn)的可視性與制作的難度，豎管直徑取2 mm比較適宜.

4 結(jié)束語

關(guān)于“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置有很多，但有些實(shí)驗(yàn)的思維跨度較大，學(xué)生不易理解.此裝置能以學(xué)生為主體，以科學(xué)為原則，降低學(xué)生理解這個(gè)較抽象原理的難度.