一種能演示流體壓強與流速關(guān)系的教具設(shè)計與研究

張潛

研究動機(jī)

初中物理教材中有關(guān)于流體壓強與流速關(guān)系的知識，長期以來教師都是通過在兩張紙之間吹氣使兩張紙靠攏的方法簡單演示這一現(xiàn)象。教材上采用的方案是讓水流經(jīng)不同直徑的水管，在水管上方連接豎直的透明水管，用水管上方液柱的高度演示液體流速與壓強大小的關(guān)系，但這一方法要用大量的水，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對容器密封要求嚴(yán)格，使用不便。我發(fā)現(xiàn)沒有能嚴(yán)謹(jǐn)、直觀演示伯努利原理的演示器，于是就設(shè)計并制作了本作品。

研究過程

變量唯一的演示教具方案（第1代）

第1代演示器由水槽、示壓水管、方喇叭狀風(fēng)道、強力風(fēng)機(jī)4部分組成（見圖1）。風(fēng)道右側(cè)開口小，橫截面為3cmx3cm的正方形，左側(cè)開口大，橫截面為8cmx8cm的正方形。在風(fēng)道底板中線上裝入4根透明亞克力管作為示壓管，示壓管高度30cm，直徑0.5cm。示壓管的底部插入水中，為防止氣流灌入示壓管，將示壓管的迎風(fēng)面做得稍高一點。風(fēng)道的右側(cè)裝有風(fēng)機(jī)為裝置提供氣流。

經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)本作品最右側(cè)的水柱上升最高，在最大風(fēng)力下可形成約25cm高的水柱，但左側(cè)水管中的水柱高度只有1～2cm，后排的學(xué)生幾乎無法觀察到。主要原因是左側(cè)開口面積太大導(dǎo)致流速下降過快；其次是水柱過細(xì)，學(xué)生不容易觀察到。

改進(jìn)型——調(diào)整風(fēng)道開口大小和示壓管內(nèi)徑（第2代）

根據(jù)第1代作品暴露出的問題進(jìn)行改進(jìn)。一是將右側(cè)開口縮小成截面為1.8cmx1.8cm的正方形，右側(cè)橫截面的縮小使流速更大，產(chǎn)生的負(fù)壓能吸起更高的水柱；左側(cè)開口截面改為2cmx8cm的長方形，減小左右兩側(cè)的橫截面積比值可以讓空氣流速變化減小，解決右側(cè)水柱液面低、不易觀察的問題。二是將示壓管的直徑改為1cm，使學(xué)生更容易觀察到水柱。

對示壓管的再次改進(jìn)與調(diào)整（第3代和第4代）

經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓能將水柱最高吸起約35cm左右，因此將示壓管加長到了40cm，同時將示壓管內(nèi)徑增加到2.5cm以便觀察，將示壓管數(shù)量增加到6根，有更多采樣點，更容易得出結(jié)論。為了使水柱更明顯，在每根示壓管底部安放1顆綠色LED燈作染色燈，同時在示壓管背部設(shè)置黑色擋光板，可有效地降低環(huán)境光的影響（見圖2）。

又經(jīng)過多次實驗再次調(diào)整了示壓管的數(shù)量和直徑，并將LED燈改為放在水槽底板下的激光頭，既避免了染色燈干擾視線又解決了防水問題。在教師準(zhǔn)備了染料（如紅墨水）的情況下，關(guān)閉激光燈，用染色水柱顯示壓強差，效果更好，（見圖3）。

將風(fēng)道梯形面豎立起來并采用連通器做示壓管（第5代）

在第4代演示器的基礎(chǔ)上繼續(xù)對作品進(jìn)行改進(jìn)。首先將風(fēng)道的梯形截面豎直安裝，使學(xué)生可以觀察到風(fēng)道的橫截面逐漸變大。其次將水槽和示壓管連為一體，做成示壓連通器。另外給風(fēng)機(jī)加裝可控硅調(diào)速器調(diào)節(jié)的功率。

最終第5代作品由演示箱和風(fēng)機(jī)2部分組成（見圖4）。演示箱用透明材料制成，分為示壓連通器和喇叭風(fēng)道2部分。示壓連通器長36cm、寬2.6cm、高40cm內(nèi)部縱向鋪設(shè)23塊隔板將其均分為24個小水槽，水槽底部互相連通，頂部與風(fēng)道相連，風(fēng)道右側(cè)橫截面較小，往左逐漸變大。風(fēng)機(jī)功率可調(diào)，為裝置提供快速的氣流。

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流流經(jīng)風(fēng)道時隨著橫截面的增加風(fēng)速逐漸降低，壓強逐漸變大，連通器內(nèi)各水槽的液面依次降低。改變風(fēng)機(jī)功率，風(fēng)速越大時小水槽內(nèi)產(chǎn)生的液面差越大，風(fēng)機(jī)最大功率時左右兩端的液面差可達(dá)35cm左右，效果十分明顯。第5代產(chǎn)品內(nèi)染色水不易損耗，準(zhǔn)備一次可以使用較長時間，所以取消了染色燈。

創(chuàng)新點

◇流體選擇合理。采用高風(fēng)壓可調(diào)速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的快速氣流作為流體，流速快且可調(diào)整，比使用水作流體更方便。

◇變量唯一、形象直觀。本演示器風(fēng)道內(nèi)的空氣流速是影響連通器內(nèi)各水槽液面高度的唯一變量，學(xué)生很容易從水柱的高度判斷出風(fēng)道內(nèi)各處的壓強大小。

◇采樣點多、效果明顯、易于觀察。示壓水柱數(shù)量24個，每個示壓水柱寬1.3cm，水柱之間的高度差最高可達(dá)35cm左右，可以讓全班學(xué)生清楚地觀察到實驗現(xiàn)象。

◇零部件少、準(zhǔn)備工作量小、維護(hù)工作少。本演示器風(fēng)道與示壓連通器一體成型，便于運輸和攜帶。首次使用時只需在連通器水槽內(nèi)加入約500 mL染色水并將其與風(fēng)機(jī)連接，后續(xù)使用只需通電打開風(fēng)機(jī)即可。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望該項目在教學(xué)設(shè)計方面做出改進(jìn)和提升。