對“充水玻璃管中氣泡運動實驗”的商榷

莫 濱

（南京市第十八中學(xué)，江蘇南京210022）

1 引 言

蘇科版初中物理教材的“勻速直線運動”探究活動，采用的實驗是研究充水玻璃管中氣泡的運動規(guī)律[1].筆者在實際教學(xué)過程中，按照教材操作，但是無法順利體現(xiàn)教材的意圖.發(fā)現(xiàn)教材存在兩處值得商榷：1）教材中氣泡的畫法是一種理想化的情況，實驗中各種情況下出現(xiàn)的氣泡形狀均與之不同.2）采用與教材類似的玻璃管進行實驗，發(fā)現(xiàn)氣泡的運動時間過短，難于測量.經(jīng)分析認為，失敗原因在于教材采用的玻璃管內(nèi)徑太大、長度太小.

2 實驗器材

實驗所用的玻璃管參量見表1，其中編號為C的玻璃管為蘇科版教材中采用的器材.在玻璃管A，B，D外壁每隔10cm拴上棉線作為長度的區(qū)間標記.表中φ為玻璃管的內(nèi)直徑，l為玻璃管的長度.

表1 玻璃管參量

時間測量采用實驗室的停鐘，分度值0.1s.當時間間隔太小不便于測量時，可利用數(shù)碼相機的攝像功能來計算時間.本文中采樣頻率均為30frame／s，再使用視頻編輯軟件回放（要求能夠逐幀播放），本實驗采用的是“Ulead VideoStudio”，該軟件播放時自動將視頻轉(zhuǎn)化為25frame／s，數(shù)出需測量時間段的視頻幀數(shù)n，則該段時間為

3 實驗分析

3.1 對氣泡形狀的商榷

教材中氣泡為球形，實驗中發(fā)現(xiàn)氣泡大小不同、玻璃管粗細不同、放置方式不同，在運動中呈現(xiàn)的形狀也各不相同，但是無論如何也形成不了球形.為了驗證教材的觀點，采用玻璃管B和D進行實驗，由于氣泡處于運動中，均采用視頻拍攝，然后回放截圖的方式再現(xiàn)氣泡形狀.當氣泡體積較小時，氣泡呈橢球形，豎直方向短，水平方向長，這與現(xiàn)有研究成果基本相符[2].但是本實驗可以進一步觀察到橢球形氣泡上部圓，下部扁，有點像一個正放的圓形饅頭，如圖1所示.當氣泡體積較大時，形狀猶如寺廟里面的大鐘，更大一些時又有空氣柱的雛形，如圖2所示.傾斜放置時，氣泡貼緊玻璃管上部，其形狀如圖3所示.

圖1 豎放玻璃管中的小氣泡

圖2 豎放玻璃管中的大氣泡

圖3 斜放玻璃管中的氣泡

實驗中發(fā)現(xiàn)，氣泡越小，越接近球形，這是因為氣泡體積小，受液體壓強作用而被壓縮時，其形狀相對變化小.對照教材中的插圖，考慮到玻璃管壁也有一定的厚度，則氣泡直徑應(yīng)該比較接近玻璃管內(nèi)徑，這時的氣泡不可能呈現(xiàn)球形.

3.2 對測量可操作性的商榷

教材的實驗原理可行，但筆者的實驗卻以失敗告終，為了查找原因，進行了以下實驗.

1）玻璃管豎直放置

采用玻璃管B，當管內(nèi)小氣泡上升時，速度較大，如圖1所示.氣泡運動時間大約4s，時間比較短.由于玻璃管B的長度只有50cm，而實驗要求測量的路程就達到40cm，實驗中完成翻轉(zhuǎn)并且開始計時，氣泡最多只允許通過10cm的路程.考慮到實際上所需測量的40cm大致取在玻璃管中間，則大約只有5cm的路程，也就是0.5s的時間，用于完成玻璃管翻轉(zhuǎn)并且作好測量前的準備工作，實驗中這點時間根本不夠，這就是測量時實驗失敗的原因.計時開始后大約每隔1s就測量1次.實驗室采用的停鐘精度為0.1s，導(dǎo)致實驗相對誤差很大，并且由于采用人為判斷氣泡到達測量位置的時刻，人工測量時間的誤差無法控制.

筆者改用數(shù)碼相機進行視頻拍攝，然后用視頻編輯軟件逐幀分析，實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 豎放玻璃管B小氣泡各區(qū)間時間視頻分析數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，利用Excel繪制的氣泡運動的s－t圖像如圖4所示.

圖4 豎放玻璃管B小氣泡運動s－t圖像

采用玻璃管D進行實驗，如圖1所示.由于長度有限，只能測量1個10cm區(qū)間，利用視頻回放來計算時間，歷時共20frame，計算可得t＝0.80s，v＝0.13m／s.根據(jù)上述2次實驗推斷，若采用玻璃管C，則氣泡通過每個10cm區(qū)間的時間應(yīng)該介于0.80～1.04s之間，準備時間大約是其一半，課堂上難于測量.

最后采用玻璃管A進行實驗，如圖1所示，實驗數(shù)據(jù)見表3.本實驗與玻璃管B相比較，由于內(nèi)徑較小，氣泡上升過程中受到阻力相對略大，運動速度略小，時間略長，但是課堂上仍然難于測量.根據(jù)表3數(shù)據(jù)，繪制的相應(yīng)的氣泡運動s－t圖像如圖5所示，測量也比較精確.

表3 豎放玻璃管A小氣泡各區(qū)間時間視頻分析數(shù)據(jù)

圖5 豎放玻璃管A小氣泡運動s－t圖像

在實驗中發(fā)現(xiàn)，同一根玻璃管中，氣泡越小，運動速度越大.如果想減小速度，可以增大氣泡體積，只要沒有大到成為空氣柱，減速效果并不明顯.

2）玻璃管傾斜放置

玻璃管B傾斜放置，與水平面傾斜角度大約5°，如圖3所示.玻璃管的傾斜角度的測量，可以采用量角器測量、三角函數(shù)計算等方法.筆者將視頻截圖，采用圖像處理軟件“Photoshop”來估測.測得數(shù)據(jù)如表4所示.據(jù)此繪制的相應(yīng)的氣泡運動s－t圖像如圖6所示.

表4 斜放玻璃管B小氣泡各區(qū)間時間視頻分析數(shù)據(jù)

圖6 斜放玻璃管B小氣泡運動s－t圖像

根據(jù)表4可知，此時間間隔較長，已經(jīng)具備了人工測量的條件.現(xiàn)將該視頻連續(xù)播放，根據(jù)視頻動態(tài)畫面用停鐘進行計時.為減少累積誤差，每次都從0cm處開始測量，分別測量氣泡運動10，20，30，40cm所用時間，稱之為分次測量法.嘗試一次性完成各位置時間的測量，觀察視頻中氣泡到達相應(yīng)位置就記錄一次時刻，稱之為單次測量法.表4數(shù)據(jù)的測量方法，稱之為視頻分析法.單次測量、分次測量、視頻分析這3種方法測得時間略有差異，為便于比較，各數(shù)據(jù)取相同精度，見表5.各方法計算得到相應(yīng)速度見表6.分次法和單次法的s－t圖像和圖6幾乎一致，故略.從表6可知各種方法測量結(jié)果均符合勻速直線運動規(guī)律，表明可以用作課堂實驗.玻璃管B傾斜放置時，空氣柱的運動速度與角度有關(guān)，調(diào)節(jié)傾斜角度可以使實驗更加順利.

表5 斜放玻璃管B小氣泡不同時間測量方法比較

表6 斜放玻璃管B小氣泡區(qū)間速度不同測量方法比較

3）測量空氣柱的運動

進一步嘗試利用空氣柱進行實驗.采用玻璃管B，豎直放置，如圖2所示.測量數(shù)據(jù)見表7，相應(yīng)的s－t圖像如圖7所示.

表7 豎放玻璃管B空氣柱各區(qū)間時間視頻分析數(shù)據(jù)

圖7 豎放玻璃管B空氣柱運動s－t圖像

玻璃管A由于內(nèi)徑較小，豎直放置時，空氣柱很容易在玻璃管內(nèi)形成栓塞，運動過慢.這時宜改為傾斜放置，使空氣柱運動變快.

4 時間的測量

實驗中測量時間，宜選擇氣泡底部為參考，因為氣泡底部的曲率小于頂部，在視覺上就是底部平整，觀察起來方便.在上述實驗中，當速度較小時，每幀圖像中氣泡運動1～2mm，速度較大時，每幀圖像中氣泡運動2～4mm，所以不能確保所有標記處與氣泡觀察位置重合時的位置恰好被拍攝下來.并且由于拍攝時相機固定，針對不同位置拍攝的角度不同，也會影響判斷.造成的影響就是生成的s－t圖像中，函數(shù)的表現(xiàn)形式為s＝vt＋s0，s0不一定為0，但是比較接近0，這與標準形式s＝vt略有差異.

5 結(jié)束語

為了能對教師有更好的指導(dǎo)作用，筆者認為教材宜作相應(yīng)調(diào)整，首先氣泡畫法應(yīng)作調(diào)整.如果玻璃管豎直放置，則宜選擇內(nèi)徑為0.4～0.5 cm的玻璃管，增大玻璃管長度，可以相應(yīng)增大各區(qū)間的長度.如果嚴格按照教材所述器材，玻璃管宜傾斜放置，插圖中玻璃管畫法應(yīng)作調(diào)整.若采用研究空氣柱運動的方法，玻璃管內(nèi)徑不宜過小.內(nèi)徑過小，空氣柱速度過小，測量時間過長，不適宜課堂演示.

[1] 王瑜.義務(wù)教育課程標準教科書·物理（8年級上冊）[M].2版.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007：117.

[2] 潘守清，歐陽俊.氣泡上升運動的觀察與分析[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1993，26（4）：306－313.