“流体压强与流速关系”的实验改进

王 笑

(宿迁市钟吾国际学校 江苏 宿迁 223800)

“流体压强与流速关系”的实验改进

王 笑

(宿迁市钟吾国际学校 江苏 宿迁 223800)

流体压强与流速的关系是苏科版物理第十章第三节“气体的压强”第2课时，它既是对液体压强、气体压强知识的延伸，同时也为后面学习浮力奠定了基础.教材的“口吹薄纸”“硬币跳高”等实验，设计学生通过用口吹气的方式改变流体的流速从而改变流体的压强，但在实际教学中用口吹气的力度和时间不容易控制，实验现象有时会不明显或持续时间短暂，不便于在有限的课堂时间内总结实验规律，而且这些实验都不能直接反映压强的变化.为此，笔者对教材中传统的实验进行了改进.

1 “天女散花”实验引课

教材上采用设置疑问引入新课：“人类通过模拟鸟的翅膀制造了飞机的机翼，从而实现了遨游天空的梦想.是什么力量使飞机升空的呢？”鸟的飞行依靠翅膀抖动和飞机依靠发动机向后喷气(机翼不动)类比差距实在是太大，不容易引起学生对两者可比性的思考，且学生对鸟的翅膀和飞机的机翼形态认识并不那么细致，教材引课不够生动有趣，且脱离学生认知水平.

为改进教学，笔者设计小实验“天女散花”进行引课，具体实验如下：

如图1所示，将彩色碎纸片放入塑料杯中，手握洗衣机的排水管一端，使其靠近纸片，保持下半部分不动，另一只手握住上半部，使其在空中快速转动.

图1 “天女散花”实验装置

实验时会看到纸屑从管口中飞出，如图2所示，通过落英缤纷的景象，激发学生的好奇心.通过设问“纸屑为什么能从运动的管口飞出来？”激发学生的兴趣与求知欲，将学生学习的热情充分调动起来.通过简单对比分析，学生容易得出纸屑飞出与管口运动有关，也即与管口空气流动速度有关.这样的引课生动、自然.

图2 “天女散花”实验现象

2 漏斗吹球实验

图3所示的漏斗吹球实验是在教材的“课外实践与练习”中出现的，笔者认为实验安排有如下不妥之处：

(1)该实验为课外实践活动，漏斗作为实验室专用器材，学生课外实践不易获取.

(2)用口接触吹气不卫生，学生不愿意做.

(3)吹气时间过短或吹气力度过小，乒乓球在重力的作用下很容易掉落，实验效果不好.

图3 教材中的漏斗吹球实验

为此，笔者进行如下改进，如图4所示，取纯净水瓶上半部分，在瓶盖中间开一个小孔，将漏斗插入，用铁架台固定装置.

图4 改进后的漏斗吹球实验装置

将吹风机对准漏斗口向下吹气，第一次时风力较小，乒乓球掉落；第二次，调节吹风机开关，加大风力，乒乓球被牢牢地“吸”住了.

用吹风机进行吹气，无论是吹气的时间还是吹气的力度都比较容易控制，而且通过对比，学生很容易知道乒乓球之所以没有掉落与气体的流速有关，且乒乓球上方空气流速大，压强小.让学生体验利用生活中的简单物品进行实验，既可以拉近物理学与生活的关系，又方便学生得出结论.

3 探究液体压强与流速的关系

教材设置的实验都是研究气体在流动时其压强的变化，那么对于液体而言，规律是否相同呢？教材并没有探究.如果课堂上不做液体压强与流速的关系实验，由气体实验得到的结论推广到流体也有同样结论有些牵强，对学生不具说服力.

为此，笔者设计了一个操作简单、现象明显的分组实验，如图5所示,注入水的水槽中漂浮着两个纯净水瓶盖，用注射器向瓶盖中间喷射水流.

实验中观察到两只瓶盖向中间靠拢，引导学生分析得出液体压强与流速的关系，综合前面气体流速与压强关系，从而总结出流体压强与流速的关系，结论更为可信.

图5 探究液体压强与流速关系实验装置

4 DIS数字化实验

笔者引入DIS数字化实验，通过压强传感器，可以直接测出流体在不同流速下压强的大小.

如图6所示，将传感器、数据采集器与装有相应软件的计算机相连.将压强传感器一端的橡皮管与待测气体连通，经过数据的传输与转化，即可在电脑上显示出压强的具体数值.

图6 DIS数字化实验探究流体流速与压强的关系

此外，笔者还自制了一个机翼模型：下方齐平，上方凸起.当气流从前方吹来，在相同的时间内，经过模型上方的路程大于下方的路程，所以模型上方气体的流速大于下方气体的流速，引导学生利用刚才的实验结论比较模型上下方气体压强的大小，如果差值足够大，会发生什么现象？教师使用鼓风机将模型吹起，如图7所示，从而验证了学生的猜想.

图7 自制机翼模型验证流体流速与压强关系

师生合作操作用压强传感器分别测出模型上、下方的气压.某次实验中采集到的数据如表1所示.

表1 采集到的实验数据

续表

由表1可见，0～5 s，测的是风速为零时的气体压强97.1 kPa；6 s～11 s，测量模型下方的气体压强96.8 kPa；12 s～18s，测量模型上方的气体压强96.6 kPa；19 s～22 s，关闭鼓风机时所测气体压强97.1 kPa.从直观的数据入手，非常容易地再次验证了流体压强与流速的关系：流速大的地方压强小.

传统的教学中，流体压强与流速的关系都只是定性研究，没有进行定量研究.引入DIS数字化实验，通过压强传感器，直接测出了流体压强的大小，不仅使实验结论更具有说服力，而且突破了教学的重、难点，学生在得出结论时难度大大降低.这是信息技术与物理学科的融合，有利于提高学生的实验探究能力.

2017-03-24)