對(duì)“充水玻璃管中氣泡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”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(yùn)動(dòng)”探究活動(dòng)，采用的實(shí)驗(yàn)是研究充水玻璃管中氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1].筆者在實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣泡的運(yùn)動(dòng)時(shí)間過短，難于測(cè)量.經(jīng)分析認(rèn)為，失敗原因在于教材采用的玻璃管內(nèi)徑太大、長(zhǎng)度太小.

2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)所用的玻璃管參量見表1，其中編號(hào)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(zhǎng)度的區(qū)間標(biāo)記.表中φ為玻璃管的內(nèi)直徑，l為玻璃管的長(zhǎng)度.

表1 玻璃管參量

時(shí)間測(cè)量采用實(shí)驗(yàn)室的停鐘，分度值0.1s.當(dāng)時(shí)間間隔太小不便于測(cè)量時(shí)，可利用數(shù)碼相機(jī)的攝像功能來計(jì)算時(shí)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(shí)驗(yàn)采用的是“Ulead VideoStudio”，該軟件播放時(shí)自動(dòng)將視頻轉(zhuǎn)化為25frame／s，數(shù)出需測(cè)量時(shí)間段的視頻幀數(shù)n，則該段時(shí)間為

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 對(duì)氣泡形狀的商榷

教材中氣泡為球形，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣泡大小不同、玻璃管粗細(xì)不同、放置方式不同，在運(yùn)動(dòng)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(yàn)證教材的觀點(diǎn)，采用玻璃管B和D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于氣泡處于運(yùn)動(dòng)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(dāng)氣泡體積較小時(shí)，氣泡呈橢球形，豎直方向短，水平方向長(zhǎng)，這與現(xiàn)有研究成果基本相符[2].但是本實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步觀察到橢球形氣泡上部圓，下部扁，有點(diǎn)像一個(gè)正放的圓形饅頭，如圖1所示.當(dāng)氣泡體積較大時(shí)，形狀猶如寺廟里面的大鐘，更大一些時(shí)又有空氣柱的雛形，如圖2所示.傾斜放置時(shí)，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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣泡越小，越接近球形，這是因?yàn)闅馀蒹w積小，受液體壓強(qiáng)作用而被壓縮時(shí)，其形狀相對(duì)變化小.對(duì)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(shí)的氣泡不可能呈現(xiàn)球形.

3.2 對(duì)測(cè)量可操作性的商榷

教材的實(shí)驗(yàn)原理可行，但筆者的實(shí)驗(yàn)卻以失敗告終，為了查找原因，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn).

1）玻璃管豎直放置

采用玻璃管B，當(dāng)管內(nèi)小氣泡上升時(shí)，速度較大，如圖1所示.氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)間大約4s，時(shí)間比較短.由于玻璃管B的長(zhǎng)度只有50cm，而實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量的路程就達(dá)到40cm，實(shí)驗(yàn)中完成翻轉(zhuǎn)并且開始計(jì)時(shí)，氣泡最多只允許通過10cm的路程.考慮到實(shí)際上所需測(cè)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(shí)間，用于完成玻璃管翻轉(zhuǎn)并且作好測(cè)量前的準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)中這點(diǎn)時(shí)間根本不夠，這就是測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)失敗的原因.計(jì)時(shí)開始后大約每隔1s就測(cè)量1次.實(shí)驗(yàn)室采用的停鐘精度為0.1s，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差很大，并且由于采用人為判斷氣泡到達(dá)測(cè)量位置的時(shí)刻，人工測(cè)量時(shí)間的誤差無法控制.

筆者改用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行視頻拍攝，然后用視頻編輯軟件逐幀分析，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yùn)動(dòng)的s－t圖像如圖4所示.

圖4 豎放玻璃管B小氣泡運(yùn)動(dòng)s－t圖像

采用玻璃管D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示.由于長(zhǎng)度有限，只能測(cè)量1個(gè)10cm區(qū)間，利用視頻回放來計(jì)算時(shí)間，歷時(shí)共20frame，計(jì)算可得t＝0.80s，v＝0.13m／s.根據(jù)上述2次實(shí)驗(yàn)推斷，若采用玻璃管C，則氣泡通過每個(gè)10cm區(qū)間的時(shí)間應(yīng)該介于0.80～1.04s之間，準(zhǔn)備時(shí)間大約是其一半，課堂上難于測(cè)量.

最后采用玻璃管A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.本實(shí)驗(yàn)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(duì)略大，運(yùn)動(dòng)速度略小，時(shí)間略長(zhǎng)，但是課堂上仍然難于測(cè)量.根據(jù)表3數(shù)據(jù)，繪制的相應(yīng)的氣泡運(yùn)動(dòng)s－t圖像如圖5所示，測(cè)量也比較精確.

表3 豎放玻璃管A小氣泡各區(qū)間時(shí)間視頻分析數(shù)據(jù)

圖5 豎放玻璃管A小氣泡運(yùn)動(dòng)s－t圖像

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同一根玻璃管中，氣泡越小，運(yùn)動(dòng)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(cè)量，可以采用量角器測(cè)量、三角函數(shù)計(jì)算等方法.筆者將視頻截圖，采用圖像處理軟件“Photoshop”來估測(cè).測(cè)得數(shù)據(jù)如表4所示.據(jù)此繪制的相應(yīng)的氣泡運(yùn)動(dòng)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(shí)間視頻分析數(shù)據(jù)

圖6 斜放玻璃管B小氣泡運(yùn)動(dòng)s－t圖像

根據(jù)表4可知，此時(shí)間間隔較長(zhǎng)，已經(jīng)具備了人工測(cè)量的條件.現(xiàn)將該視頻連續(xù)播放，根據(jù)視頻動(dòng)態(tài)畫面用停鐘進(jìn)行計(jì)時(shí).為減少累積誤差，每次都從0cm處開始測(cè)量，分別測(cè)量氣泡運(yùn)動(dòng)10，20，30，40cm所用時(shí)間，稱之為分次測(cè)量法.嘗試一次性完成各位置時(shí)間的測(cè)量，觀察視頻中氣泡到達(dá)相應(yīng)位置就記錄一次時(shí)刻，稱之為單次測(cè)量法.表4數(shù)據(jù)的測(cè)量方法，稱之為視頻分析法.單次測(cè)量、分次測(cè)量、視頻分析這3種方法測(cè)得時(shí)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(jì)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(cè)量結(jié)果均符合勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，表明可以用作課堂實(shí)驗(yàn).玻璃管B傾斜放置時(shí)，空氣柱的運(yùn)動(dòng)速度與角度有關(guān)，調(diào)節(jié)傾斜角度可以使實(shí)驗(yàn)更加順利.

表5 斜放玻璃管B小氣泡不同時(shí)間測(cè)量方法比較

表6 斜放玻璃管B小氣泡區(qū)間速度不同測(cè)量方法比較

3）測(cè)量空氣柱的運(yùn)動(dòng)

進(jìn)一步嘗試?yán)每諝庵M(jìn)行實(shí)驗(yàn).采用玻璃管B，豎直放置，如圖2所示.測(cè)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(shí)間視頻分析數(shù)據(jù)

圖7 豎放玻璃管B空氣柱運(yùn)動(dòng)s－t圖像

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

4 時(shí)間的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量時(shí)間，宜選擇氣泡底部為參考，因?yàn)闅馀莸撞康那市∮陧敳浚谝曈X上就是底部平整，觀察起來方便.在上述實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)速度較小時(shí)，每幀圖像中氣泡運(yùn)動(dòng)1～2mm，速度較大時(shí)，每幀圖像中氣泡運(yùn)動(dòng)2～4mm，所以不能確保所有標(biāo)記處與氣泡觀察位置重合時(shí)的位置恰好被拍攝下來.并且由于拍攝時(shí)相機(jī)固定，針對(duì)不同位置拍攝的角度不同，也會(huì)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(biāo)準(zhǔn)形式s＝vt略有差異.

5 結(jié)束語

為了能對(duì)教師有更好的指導(dǎo)作用，筆者認(rèn)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(zhǎng)度，可以相應(yīng)增大各區(qū)間的長(zhǎng)度.如果嚴(yán)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(yùn)動(dòng)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(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)，不適宜課堂演示.

[1] 王瑜.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教科書·物理（8年級(jí)上冊(cè)）[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(yùn)動(dòng)的觀察與分析[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，26（4）：306－313.