對一種“流體壓強與流速關系”實驗裝置的改進

嚴 慶 王金偉

（南京市上元中學，江蘇 南京 211100）

1 問題的提出

“流體壓強與流速的關系”是新課標頒布后增加的內容.[1]各版本初中物理教材針對此內容開發了許多有趣實驗和相關裝置.如圖1所示，是一種用來演示“流體壓強與流速的關系”實驗室配套器材，也常會被用來命制相關試題.但由于這個器材所盛液體量不大，導致演示時間較短且不可控，實驗效果不太理想，所以不少教師在此裝置的基礎上進行了改進.如圖2所示，就是前面這個裝置的升級版，換用一個較大的蓄水池裝水，在出水口裝個水龍頭控制水流，當放水時，發現與窄處相連的豎管中液面比寬處相連的豎管中液面低，實驗現象明顯.

圖1

圖2

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

2 改進裝置與實驗驗證

在初中物理教材中，“流體壓強與流速的關系”都是安排在氣體壓強內容之后.學生對前面由于氣體壓強變化引起的現象分析較多，于是筆者據此對上述實驗裝置與使用進行了一些改進，如圖3所示，即把圖1所示裝置進行倒置，入口端變成直管，液體改為氣體.

圖3

演示時，把C端插入水中（可在水中滴入墨水，便于觀察液柱），用風機向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后，壓強減小，外面的氣壓大于管中的氣壓，液體被壓入豎直管中.學生根據前面液體與氣體壓強知識作為基礎，不難得到結論：流體的流速越大，壓強越小.這個裝置的具體制作參數見圖4.

圖4

筆者用電吹風和風速儀測量發現，當用電吹風的弱風擋時，風速約為v1=15.46 m／s（數值會上下略有波動），液面大約上升3 cm左右，如圖5、圖6所示.

圖5

圖6

當用強風擋時，風速約為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

通過強風與弱風的實驗對比，進一步說明流體的流速越大，壓強越小.

3 理論分析

注意此裝置的橫管不能設計成粗細均勻的直管，如果這樣就變成了如圖9所示的三通管.筆者曾用如圖10所示裝置實驗，發現從橫管的一端吹氣，與豎管相連的液面不是上升而是下降，實驗現象與預設的現象相反，不能用來演示“流體壓強與流速的關系”.

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，使實驗現象明顯，同時減少了因管壁粘滯對氣體流動的影響.實驗表明，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管，不能突擴，以使在喉部呈現平行的流線，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.專業測量管中氣壓時，一般壁面測壓孔都是0.5 mm.當然，由于這里只是做定性的演示實驗，不需要那么嚴格，綜合考慮實驗的可視性與制作的難度，豎管直徑取2 mm比較適宜.

4 結束語

關于“流體壓強與流速的關系”的實驗裝置有很多，但有些實驗的思維跨度較大，學生不易理解.此裝置能以學生為主體，以科學為原則，降低學生理解這個較抽象原理的難度.