“流體壓強與流速關(guān)系”的實驗改進(jìn)

王 笑

(宿遷市鐘吾國際學(xué)校 江蘇 宿遷 223800)

“流體壓強與流速關(guān)系”的實驗改進(jìn)

王 笑

(宿遷市鐘吾國際學(xué)校 江蘇 宿遷 223800)

流體壓強與流速的關(guān)系是蘇科版物理第十章第三節(jié)“氣體的壓強”第2課時，它既是對液體壓強、氣體壓強知識的延伸，同時也為后面學(xué)習(xí)浮力奠定了基礎(chǔ).教材的“口吹薄紙”“硬幣跳高”等實驗，設(shè)計學(xué)生通過用口吹氣的方式改變流體的流速從而改變流體的壓強，但在實際教學(xué)中用口吹氣的力度和時間不容易控制，實驗現(xiàn)象有時會不明顯或持續(xù)時間短暫，不便于在有限的課堂時間內(nèi)總結(jié)實驗規(guī)律，而且這些實驗都不能直接反映壓強的變化.為此，筆者對教材中傳統(tǒng)的實驗進(jìn)行了改進(jìn).

1 “天女散花”實驗引課

教材上采用設(shè)置疑問引入新課：“人類通過模擬鳥的翅膀制造了飛機的機翼，從而實現(xiàn)了遨游天空的夢想.是什么力量使飛機升空的呢？”鳥的飛行依靠翅膀抖動和飛機依靠發(fā)動機向后噴氣(機翼不動)類比差距實在是太大，不容易引起學(xué)生對兩者可比性的思考，且學(xué)生對鳥的翅膀和飛機的機翼形態(tài)認(rèn)識并不那么細(xì)致，教材引課不夠生動有趣，且脫離學(xué)生認(rèn)知水平.

為改進(jìn)教學(xué)，筆者設(shè)計小實驗“天女散花”進(jìn)行引課，具體實驗如下：

如圖1所示，將彩色碎紙片放入塑料杯中，手握洗衣機的排水管一端，使其靠近紙片，保持下半部分不動，另一只手握住上半部，使其在空中快速轉(zhuǎn)動.

圖1 “天女散花”實驗裝置

實驗時會看到紙屑從管口中飛出，如圖2所示，通過落英繽紛的景象，激發(fā)學(xué)生的好奇心.通過設(shè)問“紙屑為什么能從運動的管口飛出來？”激發(fā)學(xué)生的興趣與求知欲，將學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情充分調(diào)動起來.通過簡單對比分析，學(xué)生容易得出紙屑飛出與管口運動有關(guān)，也即與管口空氣流動速度有關(guān).這樣的引課生動、自然.

圖2 “天女散花”實驗現(xiàn)象

2 漏斗吹球?qū)嶒?/h2>

圖3所示的漏斗吹球?qū)嶒炇窃诮滩牡摹罢n外實踐與練習(xí)”中出現(xiàn)的，筆者認(rèn)為實驗安排有如下不妥之處：

(1)該實驗為課外實踐活動，漏斗作為實驗室專用器材，學(xué)生課外實踐不易獲取.

(2)用口接觸吹氣不衛(wèi)生，學(xué)生不愿意做.

(3)吹氣時間過短或吹氣力度過小，乒乓球在重力的作用下很容易掉落，實驗效果不好.

圖3 教材中的漏斗吹球?qū)嶒?/p>

為此，筆者進(jìn)行如下改進(jìn)，如圖4所示，取純凈水瓶上半部分，在瓶蓋中間開一個小孔，將漏斗插入，用鐵架臺固定裝置.

圖4 改進(jìn)后的漏斗吹球?qū)嶒炑b置

將吹風(fēng)機對準(zhǔn)漏斗口向下吹氣，第一次時風(fēng)力較小，乒乓球掉落；第二次，調(diào)節(jié)吹風(fēng)機開關(guān)，加大風(fēng)力，乒乓球被牢牢地“吸”住了.

用吹風(fēng)機進(jìn)行吹氣，無論是吹氣的時間還是吹氣的力度都比較容易控制，而且通過對比，學(xué)生很容易知道乒乓球之所以沒有掉落與氣體的流速有關(guān)，且乒乓球上方空氣流速大，壓強小.讓學(xué)生體驗利用生活中的簡單物品進(jìn)行實驗，既可以拉近物理學(xué)與生活的關(guān)系，又方便學(xué)生得出結(jié)論.

3 探究液體壓強與流速的關(guān)系

教材設(shè)置的實驗都是研究氣體在流動時其壓強的變化，那么對于液體而言，規(guī)律是否相同呢？教材并沒有探究.如果課堂上不做液體壓強與流速的關(guān)系實驗，由氣體實驗得到的結(jié)論推廣到流體也有同樣結(jié)論有些牽強，對學(xué)生不具說服力.

為此，筆者設(shè)計了一個操作簡單、現(xiàn)象明顯的分組實驗，如圖5所示,注入水的水槽中漂浮著兩個純凈水瓶蓋，用注射器向瓶蓋中間噴射水流.

實驗中觀察到兩只瓶蓋向中間靠攏，引導(dǎo)學(xué)生分析得出液體壓強與流速的關(guān)系，綜合前面氣體流速與壓強關(guān)系，從而總結(jié)出流體壓強與流速的關(guān)系，結(jié)論更為可信.

圖5 探究液體壓強與流速關(guān)系實驗裝置

4 DIS數(shù)字化實驗

筆者引入DIS數(shù)字化實驗，通過壓強傳感器，可以直接測出流體在不同流速下壓強的大小.

如圖6所示，將傳感器、數(shù)據(jù)采集器與裝有相應(yīng)軟件的計算機相連.將壓強傳感器一端的橡皮管與待測氣體連通，經(jīng)過數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)化，即可在電腦上顯示出壓強的具體數(shù)值.

圖6 DIS數(shù)字化實驗探究流體流速與壓強的關(guān)系

此外，筆者還自制了一個機翼模型：下方齊平，上方凸起.當(dāng)氣流從前方吹來，在相同的時間內(nèi)，經(jīng)過模型上方的路程大于下方的路程，所以模型上方氣體的流速大于下方氣體的流速，引導(dǎo)學(xué)生利用剛才的實驗結(jié)論比較模型上下方氣體壓強的大小，如果差值足夠大，會發(fā)生什么現(xiàn)象？教師使用鼓風(fēng)機將模型吹起，如圖7所示，從而驗證了學(xué)生的猜想.

圖7 自制機翼模型驗證流體流速與壓強關(guān)系

師生合作操作用壓強傳感器分別測出模型上、下方的氣壓.某次實驗中采集到的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 采集到的實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

由表1可見，0～5 s，測的是風(fēng)速為零時的氣體壓強97.1 kPa；6 s～11 s，測量模型下方的氣體壓強96.8 kPa；12 s～18s，測量模型上方的氣體壓強96.6 kPa；19 s～22 s，關(guān)閉鼓風(fēng)機時所測氣體壓強97.1 kPa.從直觀的數(shù)據(jù)入手，非常容易地再次驗證了流體壓強與流速的關(guān)系：流速大的地方壓強小.

傳統(tǒng)的教學(xué)中，流體壓強與流速的關(guān)系都只是定性研究，沒有進(jìn)行定量研究.引入DIS數(shù)字化實驗，通過壓強傳感器，直接測出了流體壓強的大小，不僅使實驗結(jié)論更具有說服力，而且突破了教學(xué)的重、難點，學(xué)生在得出結(jié)論時難度大大降低.這是信息技術(shù)與物理學(xué)科的融合，有利于提高學(xué)生的實驗探究能力.

2017-03-24)