应用纹影成像 突破教学困惑

张振辉　罗承汛　钟仪　皮飞鹏

摘   要：初中生处于具体思维向形象思维过渡的阶段，可视化作为培养学生形象思维的重要方法逐漸受到重视。针对目前“探究流体压强与流速的关系”实验中气体的流动难以直接观察的不足，创新性地采用纹影成像实现了气体流动现象的可视化，以期为实验教学提供新思路，从而调动学生学习物理的积极性，帮助学生更有效地经历科学探究过程。

关键词：纹影成像；可视化；气体压强与流速的关系

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0049-4

《义务教育物理课程标准（2022年版）》要求学生在学习“流体压强与流速的关系”时，知道大气压强及其与人类生活的关系，了解流体压强与流速的关系及其在生产生活中的应用［1］。教师在教授此章节时，常用简便的演示实验引导学生探究流体压强与流速的关系，改进的实验还包括 “电吹风吹球”“漏斗吹球”“不等高水柱”“被风吸引的小球”等［2-3］。此类实验用手触摸气流来感受流速变化，简单地认为吹气位置气体流速较大，学生并未真正观察到气体流动。

根据认知发展阶段理论，大部分初中学生的思维发展处在从具体运算阶段向形式运算阶段发展的过程，他们的思维运演离不开具体事物的支持，习惯依靠经验材料判断和分析事物［4］。因此，在初中物理教学过程中必须给学生提供足够的感性材料，以此加深物理现象和规律的联系。

本研究将“纹影成像”技术应用到初中物理实验中，让空气流动可视化，使学生可以清晰地观察到实验现象，在提高学习积极性的同时，经历科学探究得出物理规律。

1    纹影成像原理简介

1.1    纹影成像

纹影法又称纹影术，是一种非接触式的流场可视化手段，其基本原理是光在被测流场中的折射率正比于流场的气流密度，即Gladstone-Dale关系：

n=1+Kρ

其中，n为气体的折射率，ρ为气体的密度，K为Gladstone-Dale系数。

由Gladstone-Dale关系可以将扰动的气体密度的变化，转化为气体折射率的变化，通过纹影技术将折射率变化转变为明暗变化的纹影图像，从而实现气流的可视化［5］。

1.2    纹影装置的搭建

纹影技术所需的器材简单，对光源和光学器件的精度要求较低，易于搭建，适用于中学课堂。本研究搭建的纹影光路为单镜离轴光路，这种光路搭建难度较小，成像质量能够满足中学课堂对气流可视化的需求。

纹影实验光路如图1所示，该实验装置由凹球面反射镜（焦距750 mm）、LED光源、刀片（遮光片）和相机（手机摄像头）组成，光在传播过程中经过折射率不均匀的气体扰动区，光的传播轨迹就会按照一定的折射角发生变化从而形成纹影图像，相机即可捕捉到纹影图。

纹影装置搭建步骤如下：

（1）对LED灯进行部分遮光处理，使其尽量满足点光源的条件；

（2）将光源固定放置在凹球面反射镜的2倍焦距处；

（3）在2倍焦距平面附近寻找光源所产生的最亮光斑的位置；

（4）移动刀片到光斑最亮的位置并遮住一半光斑，再移动相机使剩下光斑能够进入摄像头；

（5）适当降低相机的曝光度，得到对比度清晰的纹影图像；

（6）手机相机记录的纹影图像可以实时传输到白板上，方便学生观看。

此外，要尽可能调整摄像头的位置与LED光源的位置靠近，这样可以减少实物与实物在凹球面反射镜所成的像的交叠而产生纹影图像的重影现象。纹影实验装置实物如图2所示。

2    纹影成像的教学应用

在课堂上，与气体流动相关的演示实验可以结合纹影技术，使学生既能看到实物现象，又可利用摄影看到实验过程中的气体流动，提高本节课对气体流动实验的演示效果。

2.1    “相吸的纸张”——突破盲点

“流体压强与流速的关系”一节中设计的课堂演示实验是“相吸的纸张”：手握两张纸，让纸自由下垂，在两张纸中间向下吹气。“相吸的纸张”实验旨在让学生观察两纸在吹气过程中往中间靠拢的现象，得到气体流速越大压强越小的结论。实验中，虽有“吹气”的动作，但学生更多地依靠生活经验来理解“吹气的空间气体流速大”，科学性和严谨性均不够高。因此，在原有实验的基础上，突破现象的盲点，让学生借助纹影法观察图像，感性和理性兼具地理解气体流速的不同，能帮助学生更好地理解实验现象。

提前调节好纹影光路和手机的曝光参数，并将拍摄的画面实时投影到教室的白板上，得到清晰的图像。手握两张自由下垂的纸张置于气流扰动区中，并使LED光源发出的光线从两纸张之间穿过。启动吹风机吹气（使用吹风机可长时间维持实验现象），学生观察到图3，两纸张往中间靠拢，用手机拍摄的纹影图像如图4所示。

通过图像可以直观地发现，纸张之间的区域明暗对比度较大（气体流速大），而纸张两外侧区域明暗对比度较小（气体流速小）；纸张在吹气时相互靠拢，代表中间区域的气体压强小，两侧的气体压强大。由此，学生不仅可以看到演示实验的全过程，还可以结合气流的纹影图像眼见为实，在直观的实验现象中增强感性认识，更顺利地得出气体在流速大的位置压强小的结论，符合其心理发展规律。

变式练习——“相吸的乒乓球”：

“相吸的乒乓球”凭借取材简单、制作便捷、效果明显等优点也常见于物理课堂，可作为“相吸的纸张”的变式实验引入课堂。将器材如图5放置，通过纹影图像（图6）可观察到，吹气时两乒乓球之间区域的明暗对比度较高，可以清晰地看到一束气流，乒乓球外侧区域没有明显的明暗对比，这样在乒乓球中间与两侧形成了气压差，在吹气的时候乒乓球迅速往中间靠拢。纹影图像能清晰定格气流吹出的一瞬间，并直接对乒乓球进行受力分析，方便学生对实验现象进行思考。这种对例证进行微小改变的变式练习可以在保证其他条件不变的情况下，通过适当的复习联系，使知识得到巩固，将陈述性知识转化成规律性知识。

2.2    “悬浮的乒乓球”——突破难点

“悬浮的乒乓球”是教师常用的另一个“气体压强与流速的关系”演示实验：用吹风机吹出竖直向上的气流，乒乓球在空气的作用下悬浮在空中。此现象教师一般解释为吹风口的空气流速大，流速大压强小，因此乒乓球被紧紧“压”在吹风机上方。但若将吹风机的风向小角度地倾斜，乒乓球依然可以稳定悬浮（图7）。因此，该解释并不严谨。

如果利用纹影成像对气体的流动进行图像显化，教师能更加科学地解释该实验现象。这里展示风向倾斜时的情况。用吹风机倾斜一定角度吹风，使乒乓球悬浮于纹影光路的气体扰动区，此时的纹影图像如图8所示。可以看出，乒乓球表面较近的区域明暗对比度较强，说明气体流速较大，反之在离乒乓球表面较远的位置气体流速较小或没有气流，那么乒乓球表面的气流与周围未被扰动的空气形成了较大的压强差，产生指向小球的压力。正是这个压力让乒乓球受力达到平衡，能够悬浮于空中［6］。从纹影图像也可以看到吹风机吹出来的气流并非不变，经过乒乓球的气流时刻变化，这些气流差异形成的压力又产生了力矩，因此可以观察到乒乓球在悬浮的过程中又伴随着自转［6］。此外，从纹影图像上可以看到乒乓球有轻微的重影现象，这是乒乓球和它在凹球面镜反射的像交叠所导致的。

利用纹影法对“悬浮的乒乓球”演示实验的气流进行可视化，可以让学生在观察实验现象的同时，对不可见的气流进行更深层次的分析，经历科学探究的过程；有助于教师突破教学难点，引导学生对材料进行分析综合、抽象概括，从而推理得到流体压强与流速的关系。

2.3    趣味性拓展实验——突破烦点

除了课堂演示实验，在课后教师同样可以利用纹影技术开展趣味性拓展实验，使学生将实验感知和思维活动结合，不仅培养学生对物理学科的兴趣，还能培养学生严谨求实的科学态度，对课内知识进行课外延伸，以突破“从生活走向物理”的教学烦点。

如图9所示，将水杯放置在气体扰动区，往水杯中缓慢倒入热水，通过纹影图像可以观察到气流缓缓升起。这是因为杯子附近的空气温度高，密度小，形成了向上的热气流。温度的不均匀分布和上升的气流导致局部的空气折射率发生变化，在纹影光路下转化为明暗对比的图像，达到可视化的效果。相比于平时直接观察热水上方的液化“小水珠”，纹影成像后呈现的气体流动区域更广，效果更清晰。

图10为使用打火机点火时的纹影图像，由于火焰的温度非常高，产生了巨大的热气流。纹影图像上的明暗对比度高，说明火焰产生的热气流流速大，杂乱无章，迅速上升，纹影效果最为明显。

3    总  结

物理教学中的实验，基础在于让学生有体验。本文创新性地用纹影成像将“摸得着但看不见”的气流可视化，课堂上把纹影图像投屏，在其上对物体进行分析，直观性强，在学生的头脑中形成生动的表象，提升了物理教学实验的“体验感”；实验结束后，及时对物体进行受力分析，引导学生参与规范的推理论证过程，这是在感性材料加工后培养学生的科学思维，强调物理教学实验的重点——科学思维；在课余时间，利用纹影法还能开展一些课外趣味性实验，让学生观察生活中形形色色的气流，开拓视野，激发其学习物理的兴趣，培養其科学精神和创新实践能力，充分体现了物理学科实验的培养核心——科学素养。

单镜离轴纹影光路搭建简单，耗材较少，可重复性强，教师容易上手，且效果显著。该方法在探究“流体压强与流速的关系”中的应用也不局限于以上实验，还可辅助演示“飞机的升力”“不等高的液柱”“隔杯吹蜡烛”等内容；此外，在“声音的特性”“分子热运动”等章节中，纹影成像还可用于超声波、扩散现象等实验的可视化。因此，可应用纹影成像对初中物理实验进行创新，操作简便，应用范围广，同时也为教师提供教学和实验的新思路。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京师范大学出版社，２０２２．

［２］彭钰嵋，邱文婷，李佳健，等．自制多功能气体压强与流速关系演示仪［Ｊ］． 物理教学探讨，２０２１，３９（８）：５２－５４．

［３］梅砚君．验证流体压强与流速的关系［Ｊ］．物理教学， ２００９，３１（７）：２４，１５．

［４］谢桂英．自制低成本教具，提高初中物理演示实验教学的有效性［Ｊ］．物理实验，２０１４，３４（４）：１１－１４，１８．

［５］张津硕，刘丰琦，柳鸿运，等．利用纹影法测量气体的喷流速度［Ｊ］．实验室研究与探索， ２０２２，４１（１）：２８－３２．

［６］李耀俊，任树榆．用柯恩达效应科学解释电吹风悬浮乒乓球实验［Ｊ］．物理教师，２０１９，４０（３）：５８－５９，６６．

（栏目编辑    刘   荣）