探究气体压强与流速关系

徐茜茜

摘 要：“气体压强与流速关系”的实验改进，增加实验的可操作性，可见性，趣味性，探究性。克服传统实验和教材实验的不足，改进实验具有推广性，更好地发挥实验教学促进学生科学素养形成的作用。

关键词：实验；改进；气压；流速

一.制定创新目标，指明思维方向

“气体压强与流速关系”内容选自浙教版《科学》八年级上册第二章第三节内容“大气压强”的第二课时。教材不是直接呈现“气体压强与流速的关系”，而是通过实验证明以促进学生的理解。学生在科学学习中，常因不能运用简单科学知识解决实际问题，教师多采用题海战术，学生在做题中逐渐明白原理，但不知看似合理的实验，在操作中会出现误差，这些误差以及解决方案也成了中考热门方向。科学课堂不能只注重传授知识，更要重视启迪学生的思维，思维能力是创新的基础，是学生必备的核心素养之一。

该节内容是初中生学习的一个难点，教材中便于学生直观认识的实验不足，但八年级学生易接受直观明显的科学现象。为增加演示实验的可见度和趣味性，笔者改进并设计了五个实验，力争带给学生更大的思维上的冲击力。学生在探究气体压强与流速关系活动过程中获得充足体验，内化成新知，教师引导学生从任务解决中归纳出解决问题的思维，学生创新力得以提升，这才是笔者实验改进的重点，也是难点。

二.巧妙设计实验，强化思维训练

1.任务驱动，发现问题

教学开始，教师手举两张白纸，从中间吹气，纸条闭合，学生就有了思维任务，学生会带着任务去活动，在活动中发现问题、解决问题。为增强学生的思维启迪效果，我设置递进式提问：

①没吹气前，纸条内外侧受到气压吗？

②没吹气前，纸条内外侧受到气压有什么关系？

③吹气时，纸条向内侧靠近，此时纸条内外侧受到气压相等吗？

④纸条内侧气压变小还是纸条外侧气压变小？

⑤什么原因导致纸条内侧气压变小？

维果斯基最近发展区理论指出，问题设计与学生学情匹配程度，决定课堂教学的顺畅程度，设置好过渡语言和过渡问题能最大程度地促进学生思维发展。

2.“三球共舞”实验

我们常常看到这样的趣味实验，乒乓球被吹风机向上的气流支撑，悬浮在空中。实验原理：吹风机垂直向上吹，乒乓球所受向上气流冲击力和自身重力二力平衡。根据伯努利原理可，乒乓球周围空气流速大，气压小，外围气压大，压力指向中心，乒乓球不会掉下来。

笔者去掉吹风机，原有的扁形接头，用胶枪在新接头上安装三根吸管。先用吹风机较小的风力吹，实验时，会看到三只乒乓球共舞的场面。紧接着加大吹风机的风力，发现乒乓球舞动得更高了。笔者联想到泡沫球，由于重力小，无法漂浮。在泡沫球上安装几个图钉，由于图钉的不对称性，泡沫球能自由地旋转了。教师设问“乒乓球为什么不会掉下来，为什么会滚动”。通过简单对比分析，学生易得出：乒乓球运动与管口气体流动有关的结论。“三球共舞”实验引课更生动。

3.大小管比流速实验

实验教学中一个重要内容就是科学探究能力的培养，应渗透在实验教学的设计，实施，讨论等各环节，物理实验探究可促进学生提出问题，建立猜想与假设。对于演示实验，可渗透科学探究思想，即演示实验探究化。

教材中“对玻璃管吹气的实验”，笔者认为有以下不足之处：

（1）用口接触玻璃管较不卫生，学生不愿做实验。

（2）液体透明，实验现象不明显。

（3）需较强且稳定的吹力，液体才会被液面上的大气压压入玻璃管内。学生无法提供稳定、较强的气流。

因此笔者进行如下改进，用一个风力较大的吹风机作为稳定的风源，分别吹口径不同的塑料管，口径大的塑料管通过的气体流速小。塑料管的下方钻孔，连接装有红墨水的U形压强计。先用大管演示，打开吹吸机，U形管两边出现了高度差，说明流速越大，压强越小。接着换用小管重复实验，为使风量保持一致，将吹吸机原有的接管套上。U形管两边液面高度差更大。说明流速更大，压强更小。

用红墨水代替清水，用U形管显示压强变化，实验效果更明显。用吹吸机吹气，吹气力度和吹气时间都易控制。通过直观对比，学生易明白气体压强与流速的关系。在此探究过程中，学生受到了科学探究思维训练，对科学探究某些环节和控制变量法有了更深的理解和掌握，有利于科学探究能力的形成。

4.泡沫塑料板模拟飞机升力

理论应用于实践，气体压强与流速关系的一个重要应用就是飞机。教材中“科学、技术、社会、环境”部分中对飞机有描述。为了更贴近生活，笔者用塑料板模拟飞机，用含扁头的吹风机模拟风源。为避免人为干扰，演示者的手尽量避免直接接触到塑料板。

可观察到塑料板能水平横起，演示者的手也感觉到较大升力。该实验学生易操作，利用简单物品进行实验，且成功率较高，学生回家也能完成此实验。

5.模拟飞机上下表面流速差

教材中“飞机机翼获得升力原理图”。飞机升力教学存在两个问题：第一，教材仅指机翼与周围空气发生相对运动，人们一般感受到飞机前进，空气是几乎不动的，教材编写这一关键问题缺少解释，根据流动力学原理，在相同时间内，机翼上侧空气流动較长距离，上侧空气流速大于下侧，上方空气压力小于下方，使飞机产生向上升力。静态图片和文字描述对学生无视觉冲击力。

气体流动性较强，很小的压强差也会导致气体迅速流动。由伯努利公式：ρgh+1/2pv2+p=常数，若在同一平面，则1/2pv2+p=常数。气体流动性较强，很小的压强差也会导致气体迅速流动，微小压强差不会引起密度明显变化，因此可把气体视为理想流体模型，设置曲线。曲线上的切线方向代表气体在该时刻流动方向，密集程度代表气体流动速度。曲线不会相交，流速越大分布越密集。笔者联想到磁感线知识，磁场越强，磁感线越密集，气体流速越大，气体分布越密集，为此笔者设计“模拟飞机上下表面流速差”的实验。

笔者借助飞机升力原理演示器，用五根棉线模拟流动的气流，当飞机升起时，将棉线分别置于飞机的上下表面。可发现飞机上表面棉线密集，下表面棉线几乎接近疏松平行，说明飞机上表面空气流速大，下方空气流速小。

6.测量飞机模型上下表面压强

笔者用U形压强计测量飞机模型上下表面压强。笔者设计该实验目标不是为了得出准确数据，而是为了比较飞机模型上下表面压强差。经过多次实验，发现将U形管斜放，飞机模型上下表面压强差更大。用玻璃管口垂直风向，置于飞机模型的下表面，可见U形管两端液面差。用玻璃管口垂直置于飞机的上表面，U形管两端液面差更大了。说明飞机上表面压强大于下表面压强，进一步说明气体压强与流速的关系。

用压强计直接测出飞机上下表面压强，化抽象为具体，大大降低了学生思维上的跨度。

7.利用吸管等演示“气体压强与流速关系”

将探究之所得带回家，笔者布置课后作业：学生利用吸管、饮料瓶盖、泡沫球自制实验器材，将饮料瓶盖钻孔，用胶枪粘于吸管一端，竖管短，横管也不宜较长，两者夹角约90°，吹气流速快但要平稳。学生吹吸管，泡沫球会悬空。

思维是以感知为基础，对抽象事物的反映，课后设置有趣实验，学生能将抽象的问题具体化。学生在认识到气体压强与流速关系的同时，还能体会到物理实验带来的乐趣，并有理由相信，自己在生活中也能完成出色的物理实验。

参考文献：

[1]王笑.流体压强与流速关系的实验改进[J].物理通报.2007（3）.

[2]赵洪英.“气体压强与流速关系”的实验改进[J].物理通报.2014（5）.

[3]陈耿炎.可控促探究，可视促理解[J].教育与装备研究.2017（10）.