对一种“流体压强与流速关系”实验装置的改进

严 庆 王金伟

（南京市上元中学，江苏 南京 211100）

1 问题的提出

“流体压强与流速的关系”是新课标颁布后增加的内容.[1]各版本初中物理教材针对此内容开发了许多有趣实验和相关装置.如图1所示，是一种用来演示“流体压强与流速的关系”实验室配套器材，也常会被用来命制相关试题.但由于这个器材所盛液体量不大，导致演示时间较短且不可控，实验效果不太理想，所以不少教师在此装置的基础上进行了改进.如图2所示，就是前面这个装置的升级版，换用一个较大的蓄水池装水，在出水口装个水龙头控制水流，当放水时，发现与窄处相连的竖管中液面比宽处相连的竖管中液面低，实验现象明显.

图1

图2

可在解释上述现象时，不仅要用到流体压强与流速的关系，还需用到另一个物理知识，即连通器原理，但在现行初中物理教材中并未都介绍了此内容，如笔者所在地区使用的苏科版教材就未对此内容有所涉及，那怎么对这套装置稍作改进，不需要连通器原理，也能用类似现象说明问题呢？

2 改进装置与实验验证

在初中物理教材中，“流体压强与流速的关系”都是安排在气体压强内容之后.学生对前面由于气体压强变化引起的现象分析较多，于是笔者据此对上述实验装置与使用进行了一些改进，如图3所示，即把图1所示装置进行倒置，入口端变成直管，液体改为气体.

图3

演示时，把C端插入水中（可在水中滴入墨水，便于观察液柱），用风机向A端吹气，B端出气，观察到C端中的液面上升，说明横管中的气体流动后，压强减小，外面的气压大于管中的气压，液体被压入竖直管中.学生根据前面液体与气体压强知识作为基础，不难得到结论：流体的流速越大，压强越小.这个装置的具体制作参数见图4.

图4

笔者用电吹风和风速仪测量发现，当用电吹风的弱风挡时，风速约为v1=15.46 m／s（数值会上下略有波动），液面大约上升3 cm左右，如图5、图6所示.

图5

图6

当用强风挡时，风速约为v1=18.66 m／s，液面大约上升7 cm左右，如图7、图8所示.

图7

图8

通过强风与弱风的实验对比，进一步说明流体的流速越大，压强越小.

3 理论分析

注意此装置的横管不能设计成粗细均匀的直管，如果这样就变成了如图9所示的三通管.笔者曾用如图10所示装置实验，发现从横管的一端吹气，与竖管相连的液面不是上升而是下降，实验现象与预设的现象相反，不能用来演示“流体压强与流速的关系”.

图9

图10

此装置横管的主流管道需要粗一些，这样可以增加喉部气体的流速，使实验现象明显，同时减少了因管壁粘滞对气体流动的影响.实验表明，主流管道的直径大约是喉部的4倍以上效果才比较明显，即压差力变大，液柱上升高度较明显.此外，主流管道与喉部间的连接要用平滑的渐扩管，不能突扩，以使在喉部呈现平行的流线，尽量符合伯努利原理的要求.另外，竖管的直径要尽量小，否则可能影响喉部处的气体流动.专业测量管中气压时，一般壁面测压孔都是0.5 mm.当然，由于这里只是做定性的演示实验，不需要那么严格，综合考虑实验的可视性与制作的难度，竖管直径取2 mm比较适宜.

4 结束语

关于“流体压强与流速的关系”的实验装置有很多，但有些实验的思维跨度较大，学生不易理解.此装置能以学生为主体，以科学为原则，降低学生理解这个较抽象原理的难度.