初中物理“流體壓強與流速的關系”實驗的創新與實施

王愛生 陳圣宇

摘? ? ? 要：“流體壓強與流速的關系”的教學內容，編入初中教材中雖然已有20余年，但編者和教師都覺得該教學內容簡單、學生容易學習，因而沒有引起足夠的重視。為了最大限度地發揮本節課的教育教學功能，從物理學科是以實驗為基礎的角度出發，為實現物理核心素養的落地，應當讓學生經歷必要的、基本的、典型的實踐活動，從而實現學生感受直觀趣味、經歷體驗感悟、證據說理邏輯的深度教學。為此，教科書在內容編排上還有待于挖掘、創新和豐富，教師在教學中要從符合學生認知規律的角度，設計一些自創性實驗來提高學生興趣，使學生經歷體驗、形成表象、獲得經驗、豐富認知，從而優化教學過程、提高教學效果、提升科學素養。

關 鍵 詞：初中物理? 流體壓強? 自創性實驗 實驗教學? 教學策略

引用格式：王愛生，陳圣宇.初中物理“流體壓強與流速的關系”實驗的創新與實施[J].教學與管理，2023（19）：52-56.

“流體壓強與流速的關系”的教學內容，由于編者和教師都認為該教學內容簡單，學生易學習和掌握，一直以來沒有引起足夠的重視和研究。多數教師認為，只要按照教科書（以下提及的教科書除標注外均指人教社現行版本[1]）編排那樣講授就能收到很好的教學效果。從完成知識點教學任務的角度來說，似乎尊重和理解了教材編者的意圖，又符合了學生的認知規律，即創設情境（口吹硬幣）→實驗探究（口吹兩張紙）→規律應用（機翼升力）→習題處理。但從指向物理核心素養的教學來看，教科書在內容編排上還有待于挖掘、創新和豐富，教師在教學中應從符合學生思維認知規律的角度，設計一些自創性實驗來提高學生興趣，使學生經歷體驗、形成表象、獲得經驗、交流評價、豐富認知，從而使物理教學真正地回歸到實驗事實、據證說理、遵循邏輯、實踐檢驗的學科主流教學中，實現指向核心素養的深度教學，最大限度地發揮本節課的教育教學功能。

一、“流體壓強與流速的關系”教材的不足

“流體壓強與流速的關系”最早編入初中物理教科書中是在本世紀初，當時為了落實2000年頒布的《九年義務教育全日制初級中學物理教學大綱（試用修訂版）》要求，在人教版初中物理第二冊（經全國中小學教材審定委員會2001年審查通過）[2]《浮力》一章中新增了該教學內容?！傲黧w壓強與流速的關系”是液體壓強和大氣壓強知識學習的延續和深化，也是液體壓強和氣體壓強知識的補充和拓展?；诖?，人教社初中物理八年級下冊[3]將此內容移至《壓強》一章中講授。我們在多年的教學實踐過程中感到，此項知識點雖然不難，但總感覺教師的教缺乏邏輯思維的支撐而“空降”，學生的學沒有實驗事實的證據而“空心”。其原因是教師沒有創造性地“用教材”而是機械地“教教材”，同時也受教科書對該教學內容編寫不足的影響。

1.新課導入實驗的科學性存疑

為了創設教學情境趣味導入新課，教科書編排了口吹硬幣跳障礙的新課導入實驗。對此，已有學者對該實驗的科學性提出了質疑，發文認為硬幣跳躍的真正原因是氣流進入硬幣與桌面間的空隙，把硬幣頂起來了，而不是硬幣上面的流速快壓強小的緣故[4]。我們在課堂教學中發現該實驗的成功也需要很強的實驗操作技巧，學生在吹氣時，由于沒有控制好口型大小的限流、呼出時瞬間爆發力的持久以及氣流與硬幣上方距離的遠近等因素，致使學生“吹”不成功。因此，學生的興致大跌，故該實驗提高興趣、啟動思維、指向問題的導入新課的功能也削弱。

2.探究規律實驗的直觀性不強

為了探究流體壓強與流速的規律，教科書編入了“兩張下垂頁面相對并相隔一定距離的紙，用口向兩張紙中間吹氣，它們就會相互靠攏”（類似的還有，放在水盆中兩船模型的中間吹氣靠攏、放在平行鉛筆上兩乒乓球的中間吹氣靠攏、并排放置兩蠟燭火苗的中間吹氣靠攏等）。這些實驗雖然現象比較明顯，也較易成功，對于口吹氣兩物體中間相互靠攏這一事實，學生從力可以改變物體運動狀態的知識出發，理解兩張紙靠攏是受力運動的結果并不難，但能與兩物體中間位置的氣體流速快壓強小聯系起來即不易，根據兩物體中間吹氣靠攏現象歸納出“氣體流速快的地方，壓強小”的規律，這在思維坡度上有點難！有些思維敏捷具有批判精神和實證素養的學生會提出，兩個物體靠攏時中間位置的氣體壓強真的變小了嗎！是不是還有其他原因呢？因此，這樣的教學是教師想當然的強硬的“空降”。

3.機翼升力實驗的實證性缺失

為了解釋機翼升力獲得，教科書編排了機翼模型實驗。該實驗制作簡單，容易成功，但學生對課文中“機翼上方氣流通過的路程較長，因而速度較大”的描述懷疑道：這是真的嗎？受學生已有知識和理論的限制，我們不可能從流體力學的連續性定理出發，給予邏輯嚴密的清晰解釋[5]?？梢?，該教學無法直觀顯示機翼上下方流速快慢和壓強大小。因此，這樣的實驗缺少有說服力的實驗證據，因而知識的獲得是“空心”的，不利于學生利用實驗手段創新性地解決問題。

4.編排的實驗內容和數量較少

對“流體壓強與流速的關系”的教學，教科書編排的內容有4個實驗，其中拓展性實驗“用傳感器研究氣體流速與壓強的關系”大多數學校沒有此實驗設備而無法實施（這可能是把該實驗編排為拓展性實驗的緣由）[6]。該教學內容作為一節獨立內容編排來講授，從我們的教學實踐來看，該教學內容安排的實驗數量偏少，因而剩余大量的教學時間，多數教師只能用多做習題的方式來彌補。由此感受到學生缺少動手操作、經歷體驗的過程，缺乏深度參與邏輯思維以及“做中學，學中玩”的趣味。

二、“流體壓強與流速的關系”教學的優化

從物理學科是以實驗和觀察為基礎的角度來說，該教學內容應當設計必要的、基本的、典型的實踐活動。因此，我們的教科書和教學都有待挖掘、創新、豐富，從而優化教學過程、提高教學效果、實現深度學習、提升核心素養。

1.魔術實驗，增強趣味，創設情境引出問題

新穎、奇異、美妙的實驗會使學生情緒高漲、促進思考并提出問題，使學生產生一種“心求通而未得，口欲言而弗能”的境界，這樣引入新課會達到事半功倍的效果。因此，我們有必要采用具有神秘、有趣、好玩的魔術、雜技、游戲等形態的實驗操作方式，從而使學生在學習的過程中積極、自主、持久地去認識和探究，實現“道而弗牽，強而弗抑，開而弗達”的啟發性教學。

[演示實驗1]老師帶來一個神奇的管子（洗衣機排水軟管約1.2m長），并右手握住軟管上部向學生展示，讓同學們見證奇跡：握住軟管的右手做圓周施力帶動軟管上部旋轉，同時用左手將軟管的另一端放入盛有紙屑（或慶典時用的五彩紙屑）的容器中。這時學生會觀察到紙屑從軟管的上端口噴射出去，看似“天女散花”，非常美麗壯觀。

[演示實驗2]“吹不跑的乒乓球”。手握電吹風機（吹風口是圓的比較好），通電后將吹風口向上，把乒乓球放在吹風口的氣流上，學生會觀察到乒乓球在吹風口的氣流上懸浮著，也沒有被吹跑掉。教師在講臺上移動電吹風機位置時，懸浮著的乒乓球也跟著移動。吹風機口傾斜時，懸浮著的乒乓球也跟隨傾斜，特別有趣，好玩。

[學生實驗1]“吹不進瓶里的小球”。用泡沫塑料制成一個比塑料飲料瓶口稍小一些的小球（也可用致密的紙團代替），將制好的小球停放在水平放置的飲料瓶口處（不要掉入瓶子里）。當用力向飲料瓶口中的小球吹氣時，學生會觀察到小球不但沒有吹進去，反而吹了出來。

[學生實驗2]“吹不走的紙片”。用右手握住水平的長條形刻度尺的右端，在刻度尺的中間部位的背面，用左手按住一個長約8cm的長方形紙片（寬度比格尺稍微寬一些）。當對著有紙片的刻度尺面勻速垂直向下吹氣，同時松開按在長方形刻度尺紙片上的手。學生會觀察到紙片牢牢地緊貼在刻度尺面上，并不被吹走。停止吹氣后，紙片就會掉下來。

[學生實驗3]“能吹轉移的小球”。取兩只口大底小的圓臺形玻璃杯，其中一只杯里放一個乒乓球。將兩只玻璃杯口對口對著放置于桌面上，且杯口的下面相連接，這樣杯口的上面自然留有一定的縫隙。當口對著兩只玻璃杯口的縫隙快速吹氣時，學生會觀察到乒乓球從一個杯中，進入到另一個杯子里。

新課引入環節的設計意圖：設置實驗1的目的是利用自創性實驗的奇異現象激發學生興趣、產生震撼、啟動思維，但該現象的條件和目標（流體壓強與流速有關）之間存在的內在聯系比較隱蔽，學生很難猜想到該現象與流速有關。為此，在學生興奮得“哇”的時候，老師提出，“下面再做一個與該實驗道理相同的有趣實驗”。我們引入了實驗2用電吹風機的氣流吹乒乓球實驗，可引發學生猜想到這些現象與氣流有關。為了證實猜想這些現象與氣流有關，我們又創設3個小實驗，從而使學生經歷體驗，感悟到這些現象與流速有關。這些實驗是學習完“流體壓強與流速的關系”知識之后，提供給學生的真實有趣的案例，不僅有助于知識的理解和鞏固，還在課堂教學結構上實現了前后呼應的完美。

2.簡明實驗，直觀經歷，強化體驗感悟規律

教科書通過“兩張紙中間吹氣而相互靠攏的實驗”，或漏斗吹乒乓球不掉下去的實驗，或吹細線懸著氣球側面時氣球向這側運動等實驗，分析得出“流速快的地方壓強小”。以這樣的教學過程獲得的規律，沒有直觀實驗驗證，教師只能無奈地“想當然”地“空降”。為此，我們基于學生在學習液體壓強中比較熟悉的微小壓強計為“啟始能力”，設計了如圖1所示的雙探頭壓強計，能方便地檢測出“流速快的地方壓強小”，從而實現以已有的認知為出發點，以直觀實驗為手段，以實驗事實為依據的教學，豐富或改造了認知結構，符合學生的認知規律，使學生對獲得的知識能充分地理解和信服，避免形成“空心”。

[演示實驗3]為了配合雙頭壓強計直觀地探討“流速快的地方壓強小”的事實。我們設計如圖2的自創性實驗裝置。演示時，先把雙探頭壓強計的A、B探頭分別放置在橡皮膜左右兩側（也可找學生來協助），此時“U”型管中左右兩邊的液柱液面相平（教師要提示讓學生觀察）。在橡皮膜的左側與橡皮膜表面平行吹氣，學生會觀察到指針向右偏轉，表明橡皮膜向左凸起，說明橡皮膜左側受到的壓力，比橡皮膜右側受到的壓力小。因而推理出橡皮膜左側的氣體壓強比右側的氣體壓強小。同時觀察到雙探頭壓強計的“U”型管中左邊的液柱液面比右邊的液柱液面高，顯而易見橡皮膜左邊的氣體壓強比右邊的氣體壓強小。我們若在橡皮膜右側吹氣，重復上述操作其結果正好相反。

此時學生從事實出發，有理有據地分析總結出：在氣體中流速快的位置壓強小。該實驗也能直觀地模擬說明，動車進站時為什么旅客要站在安全線以外。

[演示實驗4]如圖3所示的自創性實驗裝置。先讓學生觀察，水不流動時粗細管上的豎直玻璃管中浮子顯示水的深度相同，從而表明粗細管中水的壓強大小相同（連通器的原理）。這也是隱性地強調流體力學與靜體力學的不同，從而引導學生開始建構新的知識。演示時，打開止水夾，讓水流流入接水容器中，此時學生觀察到粗管中紅色的木塊運動慢，細管中紅色的木塊運動快。同時通過比較紅色浮子位置高低，也會觀察到粗管上的豎直玻璃管中的水柱液面比細管中的水柱液面高一些。從而有力地表明：在液體中流速快的位置壓強小。

探究規律環節的設計意圖：探究規律的實驗主要是考慮實驗突顯的現象具有直觀性和真實性。認知過程要符合思維邏輯，得出的規律才能被學生認可和信服。為此，演示實驗3先通過指針旋轉的變化，讓學生感受到橡膠膜受氣體流動影響了，然后猜想出流速快的位置壓強小。再用圖1的雙頭探頭壓強計測量出流速快的位置壓強真的變小了！從而分析、推理、歸納出“在氣體中流速快的位置壓強小”。可從歸納法的角度來看，演示實驗3只能表明氣體流動時的規律，不能概括出流體（流體包括氣體和液體）的規律。因此，我們又設計了演示實驗4來表明液體流動時的規律，從而概括出“流體壓強與流速的關系”。實驗3最大的優點是：水流動時粗細管中的紅色木塊從左向右運動，學生通過紅色木塊能明顯地觀察到粗管中的水流速度慢，細管中的水流速度快。順便說明一下，在紅色木塊上釘入一個鐵釘，這樣可方便地從粗細管的外部，用磁鐵吸引紅色木塊上的鐵釘，將紅色的木塊重新移動到粗細管的最左端，以便再操作演示觀察。

3．巧妙實驗，證據說理，習得實證檢驗方法

針對機翼升力的學習，教科書編排了機翼模型實驗，即雙手拉緊穿過前端的細線，口對機翼前端水平吹氣，以前端為軸機翼尾部旋轉上翹起來。該實驗中機翼模型沒有受力“整體”向上運動，而是尾部向上旋轉運動，因而不能直觀地表明機翼升力是受到氣體向上和向下的壓力差。同時這樣的教學過程最大的不足是無法解釋清楚為什么機翼上方的空氣比下方的流速快。因此，該知識點的教學也成為本節課的教學難點[7]。為此，我們對機翼模型進行了改進，用泡沫塑料代替紙片機翼模型，添加了顯示風速的葉片小風扇，機翼沿著固定的木棒上升，從而發揮了模型實驗的直觀、檢驗、實證的功能。

[演示實驗5]如圖4所示的自創性實驗裝置。演示時，用電風扇的強風對著機翼的頭吹風，使機翼模型沿著圓木棒升起。當升到一定位置穩定時，學生觀察到固定在上表面的小風扇葉片的轉動，比固定在下表面小風扇的葉片慢一些。同時把圖1所示的雙探頭壓強計的A、B探頭，分別放置在上下兩個小風扇的附近，可觀察到“U”型管中左邊液柱的液面高于右邊液柱的液面。從而表明機翼上表面位置的壓強比下表面位置的壓強小。從而推理出機翼升力是受到氣體向上和向下的壓力差。

驗證規律環節的設計意圖：在機翼模型上下表面固定兩個相同的小風扇（可用舊電腦上冷卻CPU的風扇），其主要的目的是通過小風扇葉片轉動速度不同來顯示空氣流速不同。這樣學生通過直觀事實可知，機翼模型上表面的風速比下表面的風速快，從而彌補了教科書“空降”的“機翼上表面空氣流速比下表面空氣流速快”的抽象說明，同時用雙探頭壓強計可直接驗證機翼模型的上表面的氣體壓強比下表面的氣體壓強小。這樣的直觀、操作、經歷的教學，不僅有助于學生理解機翼產生的升力是空氣向上壓力與向下壓力之差，更能培養學生的科學理念：新的知識是建立在新的實驗基礎之上的，知識的發展也必須經過實驗檢驗。

4.變式實驗，規律驗證，知識遷移鞏固提升

“課程標準”對本節課的要求是：了解流體的壓強與流速的關系及其在生活中的應用。因此，該知識點教學要與生活和生產聯系起來，并圍繞學生熟悉的生活展開，從而落實“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，也會讓學生知道物理就在身邊，感受物理的魅力、力量和價值。

[演示實驗6]揭示足球射門時“香蕉球”形成的原因[8]，可用如圖5所示的實驗裝置來幫助學生理解。演示時電動機不轉動，只用電風扇向正西方向吹小球時，觀察到小球向正西運動。打開玩具電動機的電源開關（圖中未畫出開關、電源、導線等），使小球通過細線逆時針高速旋轉起來，這時用電風扇向正西方向吹小球，學生觀察到小球偏離吹風的正西方向而向西偏北方向運動。改變電動機的轉動方向后，使小球通過細線順時針高速旋轉，這時用電風扇向正西方吹小球，觀察到小球偏離吹風的正西方向而向西偏南方向運動。

[演示實驗7]草原犬鼠洞穴“通風”模型，如圖6所示的裝置。演示時，將有顏色的紙屑從“洞穴”左邊“洞口”放入，觀察到紙屑已經掉入左邊“洞底”了。用電吹風從模型的上方水平吹氣，可觀察到紙屑在U型管中向右邊移動，并從“洞穴”的右邊“洞口”飄逸出來。同時把圖1所示的雙探頭壓強計的A、B探頭分別放置在U型“洞穴”左、右兩邊“洞口”附近，可觀察到“U”型管中左邊液柱的液面低于右邊液柱的液面，從而表明U型“洞穴”左“洞口”處的氣體壓強比右“洞口”處的氣體壓強大。

通過實驗現象的分析和事實驗證，學生欣賞到犬鼠的“聰明才智”，為大自然的玄妙所折服。該實驗現象所形成的直觀表象有助于學生的思維與認知結構的聯結、提取，從而為解釋雨天有風傘向上運動、房子中煙筒冒煙、樓房中衛生間排氣裝置以及地鐵的通風構造等現象提供認知上的支撐。

[演示實驗8]“漩渦”“漩風”模擬實驗，如圖7所示的實驗裝置。打開玩具電動機的電源開關（圖中未畫出開關、電源、導線）讓電動機旋轉起來，從而帶動葉片旋轉，葉片使周圍的水也跟隨旋轉，形成旋轉的水流。可以清楚地看到漂浮在水面上的白色乒乓球被旋進水流中并向中心（葉片處）下沉；而黃色的乒乓球被旋進水流中并向中心（葉片處）上升。這是因為葉片旋轉處的漩渦水流流速很快，所以壓強變小，外面的水流速度慢，壓強大，形成壓力差，將乒乓球壓進漩渦。

該實驗非常生動地說明了海洋形成水漩渦（或臺風形成的龍卷風）非常危險，容易把船只或者人等卷入其中去。

綜上所述，通過自創性實驗來創設真實的學習情境，可以改變以往就題論題的單一教學方式，同時能激發學生解決問題的興趣。針對日常生活中復雜、抽象、典型的物理問題，通過實驗來運用知識、理解知識，有利于學生豐富認知，形成能力，內化素養。上述創新性實驗為學生的學習在認知上提供了具體模型，在思維上降低了坡度，在邏輯上給予了事實的支撐。

參考文獻

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[7] “流體壓強與流速的關系”的兩點突破：參加“一師一優課”活動隨

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[8] 王愛生，佟巖.“香蕉球”演示器[J].中學物理教學參考，2007（06）：38.

【責任編輯? 孫曉雯】