伯努利原理教学中的趣味实验

洪子量

摘 要：伯努利原理是流体力学中的一个重要原理，在飞行领域及现实生活中有很多的重要应用。本文介绍了在学习伯努利原理中做的几个趣味实验，实验设计简单、现象明显有趣，对于学生更好地学习和理解伯努利原理有重要意义。

关键词：流体压强；流速；伯努利原理；趣味实验；康达效应；马格努斯效应

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）1-0060-2

伯努利原理是流体力学中的一个重要原理，在初中人教版八年级下册第九章中，学生在学习了“液体的压强”和“大气压强”的基础上，继续学习“流体压强与流速的关系”，即伯努利原理。该原理在1726年由瑞士物理学家丹尼尔·伯努利首先提出，它说明了流体压力的一个特征——对于稳定流动的流体（如稳定流动中的空气或水）在横截面大的地方，流速小，压强大，而在横截面小的地方，流速大，压强小[1]。伯努利原理应用非常广泛，如飞机的升力、喷雾器等。本文介绍伯努力原理教学中有关的趣味实验，供大家参考。

1 乒乓球炮弹

1.1 实验设计

本实验用一个大功率电吹风作为风源，透明塑料纸一张，乒乓球若干个。实验制作时，将透明塑料纸裹成直径为稍大于乒乓球直径的纸筒。演示的时候，将乒乓球放在一个盘子里，纸筒的下端靠近乒乓球，打开电吹风后，将电吹风沿着纸筒的上端吹气，这时候，我们就可以看见乒乓球像“炮弹”一样发射出来了。本实验需要注意：电吹风的功率要比较大，风力要强，吹風的角度也十分重要，这是本实验能否成功的关键。

1.2 实验原理

实验中，当用吹风机吹纸筒上端的时候，上端空气流速加快，压强减小，下端压强不变，在纸筒上下端压强差的作用下，产生一股由下向上的气流，纸筒下端的乒乓球也就随着气流从纸筒上端发射出来（图2）[2]。

2 气球风轮

2.1 实验设计

本实验的主要器材是：一个大功率鼓风机，点胶，气球若干个。制作时，首先将气球吹得同样大并系好，然后用点胶将气球粘结成内一圈外一圈的一个圆形气球环。演示时，先用一只手扶着气球环，然后拿着鼓风机对着气球环的一端吹气，这时候，我们就会看见气球环悬浮在空中并且旋转起来。本实验需要注意的是，必须找准鼓风机给气球环吹风的位置，气球环受本身的重力，同时受到鼓风机吹风时一个冲击力，在合力矩的作用下，气球风轮就会旋转起来（图3）。

2.2 实验原理

本实验利用了康达效应，流体（水流或气流）有偏离原来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向[2]。当我们用吹风机在气球斜下方吹气的时候，气流吹向气球的表面时，气流会随着气球的表面流动，气球表面的流速会加快，压力会减小，而外围的空气流速就会比较慢，压力也就会比较大。而旋转气球附近空气流速快，压力小。形成了一个带动圆形气球环转动起来的力矩，于是气球环就可以在空中转起来。

著名球星在踢足球时，可以使飞出的足球高速旋转，足球除了受到重力之外，还会受到周边空气的阻力和力矩，沿着与抛物线不同的奇妙路线飞行，球星往往用这种方式攻破对方球门。这种现象是著名的马格努斯效应。

3 纸箱吐烟圈

3.1 实验设计

本实验要用到30 cm*30 cm空纸箱一个、蚊香（或线香）、蜡烛几根、透明胶一圈、尖头剪刀一把。用透明胶将纸箱角落密封好，在空纸箱的某一面用剪刀开一个直径为8 cm的圆孔。通过圆孔，将蚊香产生的烟雾充满纸箱，再把纸箱放在桌面上，并在纸箱开口前方2 m处的桌面上，放上点燃的蜡烛。演示实验时，用手拍打纸箱的两侧，这时候会观察到一团烟雾从纸箱口中吐出，烟雾离开纸箱口并没有散开，而是形成一个烟圈，逐渐变大，像一个空气炮弹，能把桌面上的蜡烛吹灭（图4）。

本实验需要注意的是，圆孔的直径必须大小合适。如果纸箱体积比较大，则圆孔开口直径也相应较大，反之，如果纸箱体积较小，圆孔开口直径也较小。如果圆孔的开口直径过小，烟雾从圆孔中喷射出来的速度过大，则不会形成烟圈。如果圆孔的开口直径过大，挤压出来的烟雾速度过慢，会马上散开了，也不会形成烟圈。

3.2 实验原理

纸箱中充满的烟气受到挤压后，通过圆孔排出一团烟气，这时离气流中心较远的烟气微粒，由于受到纸箱壁的阻碍，相对于气流中心的烟气来说，向后运动，并向速度大的气流中心处靠拢。而对于气流中心的烟气来说，由于受到空气的阻碍作用，在前进过程中逐步远离气流中心，向斜上方运动，从而造成快速旋转而成为烟圈状（如图5）[3]。根据伯努利原理，流体流速快，压强小，圆孔出口周边的空气是静止的，因此从圆孔中流出的烟气微粒会牵引静止的周边空气，由此形成了一个从孔洞边缘向外再转向内旋转的一个涡流，所以圆孔处出来的烟气涡旋压强小，烟圈在空气中保持，没有四处散开，因此可以前进较长一段距离[4]。

4 结束语

在教学中巧妙地设计及运用趣味物理实验，能大大地调动学生学习的积极性。本文中的三个实验取材来自于生活，制作简单、现象明显，很好地调动了学生思维的主动性，激发学生的学习兴趣，不仅能在教学中取得良好的效果，也可以在科普秀中表演。

参考文献：

[1]陈玉祥. 伯努利原理趣谈[J]. 科学大众，1965（05）：32-33.

[2]黄桦，陈小敏. 教科书中伯努利原理演示实验的误解与正解[J]. 物理教学，2017，39（04）：20-22.

[3]余小英. 纸箱吐烟圈实验中烟圈形成原理探析[J]. 广西民族师范学院学报，2012，29（03）：27-29.endprint