對(duì)兩個(gè)有關(guān)“流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的探究

劉劍鋒 郭云華 賴益航

(1. 贛南師范大學(xué)物電學(xué)院，江西 贛州 341000； 2. 鳳崗中學(xué)，江西 贛州 341000)

“流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”是與生產(chǎn)生活聯(lián)系非常緊密的一節(jié)初中物理課,廣大教師針對(duì)該內(nèi)容開發(fā)了許多有趣的生活化小實(shí)驗(yàn),其中有硬幣跳高和紙杯跳高實(shí)驗(yàn)簡單有趣,流傳廣泛,但這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)解釋的合理性值得懷疑,下面介紹筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)的探究情況．

1 對(duì)硬幣跳高實(shí)驗(yàn)的探究

圖1 硬幣跳高

如圖1,水平桌面邊沿放一枚一角錢的硬幣,在硬幣前面橫放一把直尺做欄桿,蹲下身,貼近硬幣水平吹氣,結(jié)果硬幣像乒乓球一樣跳起來飛過直尺．這個(gè)實(shí)驗(yàn)取材方便,現(xiàn)象有趣,還可以像打乒乓球一樣由兩位同桌學(xué)生進(jìn)行吹硬幣比賽,所以深受教師青睞,常常用于課堂的趣味導(dǎo)入．目前該實(shí)驗(yàn)的流行解釋是,吹氣時(shí)硬幣上方的氣體流速大,造成壓強(qiáng)減小,而硬幣下方的空氣沒有流動(dòng),壓強(qiáng)仍保持為大氣壓強(qiáng),于是硬幣上下表面產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)差,從而把硬幣抬起,硬幣抬起后在氣流的沖擊作用下向前飛過尺子．但其原因也有可能是氣流進(jìn)入了硬幣與桌面間的空隙,從而把硬幣抬起來的．到底哪個(gè)才是主要原因呢,筆者設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究．

要設(shè)計(jì)一個(gè)判決性實(shí)驗(yàn)并不難,只要不讓吹出的氣流進(jìn)入硬幣與桌面之間的空隙就行了．為此,筆者用喝奶茶的大吸管吹氣．吹氣時(shí),吸管一端含在嘴里,另一端稍伸入到硬幣上方以免氣流進(jìn)入硬幣與桌面間的空隙,同時(shí),為增大流速及作用面積,吸管盡量捏扁些．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出人意料,硬幣竟然紋絲不動(dòng),換用質(zhì)量更小的鋁質(zhì)一角硬幣,結(jié)果相同．后來,筆者還將硬幣置于水平放置的鐵紗窗網(wǎng)上后水平吹氣,這樣即使氣體進(jìn)入硬幣下方,也無法形成抬起硬幣的氣流,結(jié)果硬幣也無法跳起．這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明讓硬幣飛起的原因并不是由于壓強(qiáng)與流速的關(guān)系,而是氣流進(jìn)入硬幣與桌面間的空隙,把硬幣頂起來了．

為了弄清吹氣時(shí)由于流速的原因造成硬幣上下表面的壓力差大概有多大,筆者找來感量為0.1g的電子秤,將硬幣水平放置在秤上,按照前面的方法用吸管吹氣,結(jié)果又出人意料,電子秤的讀數(shù)不但沒有減小,反而增大了．面對(duì)這個(gè)反常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,筆者仔細(xì)思考后發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵是我們?cè)谘芯恐羞^于理想化,沒有考慮到氣流的擴(kuò)散問題．也就是說我們雖然是水平吹出的氣流,但氣流離開吸管后并不能保持水平流動(dòng),而是像喇叭口一樣向外擴(kuò)散開來(可用煙代替空氣顯示這個(gè)現(xiàn)象),于是氣流還會(huì)對(duì)硬幣和電子秤產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力．總的來看,這個(gè)向下的壓力反而大于由于流速原因產(chǎn)生的升力,因而造成電子秤的示數(shù)增大．那么為減小由于擴(kuò)散造成的氣流對(duì)硬幣向下的沖擊力,是否能改成用吸管斜向上吹氣呢?經(jīng)過筆者嘗試,發(fā)現(xiàn)硬幣仍然紋絲不動(dòng)．其原因可能此時(shí)氣流離硬幣表面有一定距離,造成硬幣上下表面流速差不夠大,因此無法抬起質(zhì)量較大的硬幣,另外,也不可能完全避免擴(kuò)散氣流的影響．最后,筆者從A4紙上剪下一塊與硬幣同樣大小的圓形薄紙片來代替硬幣試試,結(jié)果薄薄的紙片終于浮了起來．看來,只要物體的質(zhì)量足夠小,即使沒有氣流進(jìn)入硬幣與桌面間的空隙,這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是能夠做成功的．

在查找流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的實(shí)驗(yàn)資料中,筆者還發(fā)現(xiàn)有教師將硬幣放置在一個(gè)飲料瓶蓋中,然后在瓶蓋上方水平吹氣,硬幣也能跳出．其原因顯然也是因?yàn)闅饬鬟M(jìn)入硬幣下表面將其頂起來的．

2 對(duì)紙杯跳高實(shí)驗(yàn)的探究

圖2 紙杯跳高

紙杯跳高實(shí)驗(yàn)的方法如圖2所示,將兩紙杯疊在一起,然后在杯口水平吹氣,這時(shí)內(nèi)杯會(huì)跳起．該實(shí)驗(yàn)最早是用于大氣壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn),它的解釋是有氣流進(jìn)入兩杯間的空隙,于是空隙間的氣體壓強(qiáng)增大,把內(nèi)杯給頂起來了．可隨著時(shí)間的推移,該實(shí)驗(yàn)的解釋變成了用流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系(伯努利原理)來解釋,認(rèn)為杯口的空氣流速大,而兩杯底間的空氣可認(rèn)為流速為0,因而產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)差,從而把內(nèi)杯給頂起來了．那么到底哪個(gè)解釋更合理呢?筆者將外杯杯底剪去,重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),內(nèi)杯再也不能跳起來．由于剪去外杯底并沒有影響內(nèi)杯杯口和杯底下表面的空氣流速,如果流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系解釋正確的話,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)該不變化,但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻是內(nèi)杯不跳起,因此用流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系來解釋是錯(cuò)誤的．

3 對(duì)人教版教材編寫的建議

物理教材人教版8年級(jí)下冊(cè)第9章第4節(jié)“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”采用了硬幣跳高實(shí)驗(yàn)作為導(dǎo)入實(shí)驗(yàn),該書編者似乎意識(shí)到了氣流可能會(huì)進(jìn)入硬幣與桌面之間這個(gè)問題,所以在最新版教材中做了改進(jìn),特意說明要在硬幣與嘴之間放上一本厚度與硬幣相當(dāng)?shù)墓P記本(以防止氣流進(jìn)入硬幣與桌面間的空隙)．那么,放上一本筆記本后真能防止氣流進(jìn)入空隙嗎?從筆者前述的實(shí)驗(yàn)討論中不難發(fā)現(xiàn),如果氣流不能進(jìn)入硬幣與桌面間的空隙,硬幣不可能跳起，因此,教材改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)仍然存在問題．如果按筆者前述方法,用紙片代替硬幣,用吸管在紙片上表面稍斜向上吹氣,雖然避免了錯(cuò)誤,但效果不夠理想,趣味性不高．建議人教版教材再版時(shí)刪除此實(shí)驗(yàn),用其他實(shí)驗(yàn)代替(如從蠟燭火焰?zhèn)让嬗梦艽禋饣鹧嫦虼禋庖粋?cè)偏斜、吹紙橋?qū)嶒?yàn)等)．

4 從失誤中尋找探究學(xué)習(xí)資源

從前述分析可知,上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用于“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”的新課教學(xué)顯然是不夠恰當(dāng)?shù)?但這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)卻是非常難得的適合各層次學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的優(yōu)質(zhì)資源．首先,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯有趣,能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)．其次,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出的都是結(jié)構(gòu)不良化問題,猜想豐富,具有極好的探究性,特別是硬幣跳高實(shí)驗(yàn),在探究過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生新的問題,極具挑戰(zhàn)性．第三,探究應(yīng)處在已知與未知之間，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及到的內(nèi)容基本上是學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的內(nèi)容,但其解釋卻又是未知的,因此較適合學(xué)生的探究認(rèn)知水平．第四，對(duì)硬幣跳高實(shí)驗(yàn)的探究可深可淺,對(duì)高中和大學(xué)生可以進(jìn)行深入探究,對(duì)初學(xué)者可以探究到哪種解釋正確就行了,初學(xué)者如要更深入地探究,則應(yīng)補(bǔ)充伯努利方程知識(shí)．第五,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)取材經(jīng)濟(jì)方便,來源于生活,任何條件的學(xué)校都可實(shí)施,不存在條件不足的問題．

我們可以在學(xué)生學(xué)完壓強(qiáng)一章內(nèi)容后,請(qǐng)學(xué)生在課外實(shí)驗(yàn)并探究，也可在復(fù)習(xí)課時(shí)專門在課堂上組織學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí),這既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)能力,也能復(fù)習(xí)鞏固和活化所學(xué)物理知識(shí)．

參考文獻(xiàn)：

1 柳利芳.使“硬幣起飛”的吹氣速度[J].物理教學(xué), 2007(3):25-25.

2 趙光平, 曾平飛, 羅星凱. 真有探究發(fā)生嗎——也談試題探究點(diǎn)的定位[J]. 基礎(chǔ)教育課程, 2011(4):70-73.

3 彭前程. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理九年級(jí)[M].北京:人民教育出版社,2006:91.

4 彭前程. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M].北京:人民教育出版社,2012:44.