应用纹影技术创新初中物理教学的实践

冯伟东

物理是一门以实验为基础的学科，实验在物理教学中的重要性不言而喻。在初中物理实验教学中，师生会遇到一些难以用眼睛直接观察感知的实验现象，如部分密度、流体实验，只能通过转换法或最终实验结果对实验过程的现象进行推理。教师将纹影技术用于初中物理教学可以让学生更直观地观察物理现象，更好地理解相关的物理原理。下面就纹影技术原理、纹影实验装置的组建与操作及其在初中物理教学中的应用作具体介绍。

一、纹影技术及其原理

纹影技术是利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使可压缩流场中的激波、压缩波等密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，从而记录下来^[1]。

纹影技术具有结果简单、成像效果好、精度高等优势，将人眼不可见的流体密度变化转化为光强信息记录下来，使观测更为直接^[2]。

纹影技术作为有别于常规的观测方法，在流体力学实验中有广泛应用，可用于观测燃烧、激波、气体内冷热对流以及风洞或水洞流场^[3]。

纹影技术原理可简单表述为：利用气流对光波的扰动，将不可被肉眼看见的气流流动转换成可以被看见的图像。

教师在初中物理教学中应用纹影技术演示实验，有利于学生理解相关的物理原理。

二、纹影实验装置的组建与操作

器材：智能手机及手机支架、凹面镜（口径203 mm，焦距800 mm）、多用载物台，多媒体平台。

组装步骤如下：

第一步，将凹面镜固定在载物台上（如图1）。

第二步，将智能手机的闪光灯调成常亮（就是一直开着），用黑色的胶布将闪光灯全部粘住（不漏任何的光），用牙签戳个小孔（注意：孔一定要小，漏一点光源就可以）。

第三步，将智能手机固定在可以移动的手机支架上，将智能手机连同手机支架一起放在离凹面镜约150 cm的地方（如图2）。

第四步，首先用一张白纸找到聚光点（白纸上出现的最小光斑），调节平台及智能手机的位置，使得聚光点正好落在负责录像的镜头上，然后调节手机镜头的焦距使得成像画面充满屏幕，最后慢慢前后微调智能手机，确定纹影成像最佳位置（如图3）。

第五步，将手机信号投屏在多媒体平台上进行展示（如图4）。

教师只要在凹面镜前光线经过的路径上制造气流的扰动，其现象便可以在光屏上呈现出来。笔者对该装置进行了测试，在凹面镜前用嘴巴呼出气流制造空气的扰动，从手机屏幕显示的效果可以看出该套装置能灵敏捕捉到空气扰动的现象。用这样的纹影实验装置教学，取材容易，操作简便，实验演示效果明显。

三、纹影技术在实验中的应用

组装好纹影技术装置以后，教师就可以将其应用在物理教学中，直观演示相关物理实验。对初中物理实验教学而言，该装置主要用于密度和流体这两部分的教学。下面就具体介绍纹影技术在初中物理实验中的应用实例及其与传统实验手段演示效果的比较情况。

（一）纹影技术在密度教学中的应用

1.“密度与温度”中的小风车实验

人教版物理教材八年级上册第六章第五节为“密度与社会生活”，其中“密度与温度”栏目要求师生做小风车实验——将小风车放到火焰上方，学生就能看到小风车转动起来了（如图5）。

笔者利用纹影技术做实验，让学生不仅可以看到火焰上方小风车转动，而且可以在屏幕上直观地看到火焰上方的空气不断往上流动，推动风车转动（如图6、图7）。

笔者利用纹影技术直观演示后，学生直接“看出”风车转动的原因：火焰使得周围空气的温度上升，附近空气的体积膨胀，密度变小，热空气上升形成气流，当气流流过小风车扇叶就会带动扇叶转动。学生由此明确：空气温度升高，它的密度就变小，密度变小的空气会往上流动。

2.用二氧化碳气体浇灭蜡烛的实验

教师通过利用二氧化碳气体浇灭蜡烛的演示实验，让学生更加直观地了解气体的密度及其流动特点。教师直接演示实验的情况下，学生只能看到将杯子里的二氧化碳气体倒向火焰，火焰就会熄灭。

笔者利用纹影技术就能将“隐形”的二氧化碳气体的流动情况呈现出来，让学生直接看到二氧化碳气体从容器流出的下沉图像和二氧化碳气体装满杯子后往外溢出的图像。

学生将装满二氧化碳的杯子倒向火焰时，会看到二氧化碳往下流出冲向火焰，隔绝了火焰周围的氧气，导致火焰熄灭。同时，学生在实验时还观察到火焰上方的热空气缓缓向上飘动的情况（如图8）。

通过上面的实验，学生可以清楚地知道，密度大的二氧化碳气体在密度比它小的空气中是往下流动的，由此掌握了密度不同气体的流动规律。

（二）纹影技术在流体压强教学中的应用

教师利用纹影技术还可以让学生直观地观察流体的流动情况。在人教版物理教材八年级下册第九章第四节“流体与流速”中，编排了“机翼模型的吹气实验”，原来实验演示时学生只能观察到在用风筒往正放的飞机机翼模型吹风的时候，飞机机翼模型会往上飘，但飞机机翼模型上、下方的气流流动情况是看不到的。笔者利用纹影技术进行实验演示，就可以直观地在屏幕上呈现飞机机翼模型上、下方的气流流动情况（如图9）。如果结合高速摄影的拍摄，还可以对比飞机机翼模型上、下方的气流流动速度。

综上所述，教师利用信息技术创新初中物理实验教学，可让学生更直观地观察物理现象，对教学内容获得直观感性的认知。纹影技术在初中物理教学中的应用，不仅能够提高实验的可见度，增强实验的直观性，而且能够激发学生学习物理的兴趣，有利于学生深入理解知识。

注：本文系人民教育出版社课程教材研究所2021年立项课题“义务教育教科书物理实验优化研究”（课题批准号：KC2021-008、KC2021-010）项目研究成果。

参考文献

[1] 李桂春.风洞试验光学测量方法[M].北京：国防工业出版社， 2008.

[2] Settles G S.纹影与阴影技术：透明介质中的可视化纹影与阴影技术[M].北京：国防工业出版社，2018.

[3] 尹协振，续伯钦，张寒虹.力学实验[M].北京：高等教育出版社，2012.

（作者系广东省广州市白云区黄石学校教师）

责任编辑：祝元志

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