自制多功能氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系演示儀

彭鈺嵋 邱文婷 李佳健 王笑君 李德安

摘? 要：現(xiàn)有的氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系演示儀中，普遍存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象缺乏趣味性、資源集成度低、拓展性不強(qiáng)等問(wèn)題。為改進(jìn)現(xiàn)有的不足，文章設(shè)計(jì)了多功能演示儀，收集有趣味性的實(shí)驗(yàn)素材，利用低成本材料集成了8個(gè)氣體壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，教師能根據(jù)不同的教學(xué)情境演示不同實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，組合式的設(shè)計(jì)具有可拓展性，給師生進(jìn)一步探究提供了可能。

關(guān)鍵詞：氣體壓強(qiáng)與流速;低成本;集成;拓展性;物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）8-0052-3

1? ? 引? 言

對(duì)于“流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”這節(jié)課，教材中有“吹硬幣”“吹紙張”的小實(shí)驗(yàn)?！按涤矌拧睂?shí)驗(yàn)很大程度上取決于硬幣的大小和質(zhì)量，能做出明顯現(xiàn)象的是鋁制硬幣，但此類硬幣生活中已很少見。針對(duì)課標(biāo)要求，很多學(xué)者進(jìn)行了教學(xué)討論和教具制作[1-4]，但目前文獻(xiàn)中提到的教具普遍存在一些不足：一是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象缺乏趣味性，不利于學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí);二是集成度低，不能很好地實(shí)現(xiàn)資源整合;三是可拓展性不強(qiáng)，師生很難在原有教具的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展探究。為了提高課堂教學(xué)的演示效果，本文自制了多功能氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系演示儀，充分利用生活中的低成本材料，集成了8個(gè)氣體壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)中不僅可以激發(fā)學(xué)生的興趣，還給教師和學(xué)生留下了選擇和拓展探究的空間。演示儀所用材料取材于生活，成本低，效果好，激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)提高了教學(xué)效果。

2? ? 演示儀設(shè)計(jì)原理

課標(biāo)要求：了解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系及其在生活中的應(yīng)用，例如能簡(jiǎn)單解釋飛機(jī)的升力。在人教版教材中，正式知識(shí)講述前先安排了“吹硬幣”和“吹紙張”兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)。因此，本節(jié)課的重點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)中了解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，難點(diǎn)是用流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系解釋其在生活中的應(yīng)用。

為突破課程的重難點(diǎn)，本演示儀設(shè)計(jì)整合了兩類實(shí)驗(yàn)，一類為講授知識(shí)時(shí)用于演示或探究的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，一類為講授知識(shí)后聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用拓展實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)內(nèi)容如表1所示。

3? ? 演示儀的制作

3.1? ? 材料

20、25、32三種規(guī)格的PVC管，不同規(guī)格的PVC轉(zhuǎn)接頭，不同大小的PVC三通口，排水軟管，三種不同顏色的顏料，大小兩種規(guī)格的泡沫球，玻璃杯，實(shí)驗(yàn)燒杯，礦泉水瓶，漏斗，木板，小蠟燭，簽字魔術(shù)棒，吸管，氣泵，泡沫，卡紙。

3.2? ? 制作方法

先用木板和木條搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，首先在實(shí)驗(yàn)臺(tái)供氣區(qū)部分嵌入一個(gè)可調(diào)節(jié)氣流流速的開關(guān)，再在供氣區(qū)處固定一根PVC管，作為鼓風(fēng)機(jī)接入實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供氣流的入口。在供氣區(qū)的右端固定兩個(gè)木架子，作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的放置架用于安放不同實(shí)驗(yàn)的裝置部分（圖1、圖2）。接下來(lái)分不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行裝置部分的制作。

4? ? 演示儀與教學(xué)結(jié)合

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)際教學(xué)中可能會(huì)出現(xiàn)一節(jié)課演示多個(gè)實(shí)驗(yàn)的情況。用組合的方式將多個(gè)實(shí)驗(yàn)集成于一身，教師上課需要演示多個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)不用整理多套儀器，只需攜帶一個(gè)演示儀即可演示多個(gè)實(shí)驗(yàn)。演示儀中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中可以用在課前引入環(huán)節(jié)以激發(fā)學(xué)生的好奇心，或用于實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到結(jié)論。演示儀的拓展實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)中可以用于應(yīng)用拓展環(huán)節(jié)，在講授知識(shí)后聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。

4.1? ? 課前的多個(gè)趣味引入

（1）隔杯吹蠟燭

用一個(gè)燒杯把蠟燭籠罩起來(lái)，從另一側(cè)的燒杯底部吹。讓學(xué)生猜想是否能把蠟燭吹滅，然后進(jìn)行操作，觀察到蠟燭隔著玻璃杯被吹滅（圖3）。

用有趣的實(shí)驗(yàn)作為引入，能讓學(xué)生積累足夠的感性認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的好奇心。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)完成演示后，教師若還想通過(guò)演示其他實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的好奇心，只需要將展示平臺(tái)上的模塊換成下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的模塊即可。例如，此處可將木板和送風(fēng)口換下，再裝上演示“氣吸球”的管道。

（2）氣吸球

把電源打開給裝置通風(fēng)，兩個(gè)漏斗處有風(fēng)吹出，將兩個(gè)小球放在漏斗下方。讓學(xué)生猜想球會(huì)不會(huì)掉下來(lái)，松手后觀察到小球沒(méi)被吹走且懸在漏斗處不往下掉（圖4）。

4.2? ? 趣味應(yīng)用拓展

流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系在生活中的應(yīng)用非常多（如飛機(jī)起飛等）。在講述完知識(shí)后若能采用演示的方法，對(duì)相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行演示并配合原理解說(shuō)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。運(yùn)用此演示儀的演示操作也同上，只需要將原來(lái)的演示模塊取下，換上應(yīng)用拓展的演示模塊，即可用演示儀進(jìn)行拓展教學(xué)。

（1）飛機(jī)的升力模型

將機(jī)翼模塊安放就位，連接氣泵電源，打開開關(guān)給裝置通入氣流，機(jī)翼迎風(fēng)升起（圖5）。

在演示的同時(shí)用互動(dòng)的方式給學(xué)生分析：飛機(jī)在平地啟動(dòng)時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)機(jī)翼被分為上下兩股氣流。氣流在同時(shí)間內(nèi)通過(guò)機(jī)翼，上方氣流流過(guò)距離較長(zhǎng)，因此經(jīng)過(guò)機(jī)翼上方的氣流較快。根據(jù)氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，氣體流速越小氣體壓強(qiáng)越大，機(jī)翼下方的氣體壓強(qiáng)較大，向上的壓強(qiáng)差使飛機(jī)獲得升力。

（2）草原鼠的空調(diào)洞穴

首先，講述草原鼠利用自然風(fēng)給家“安裝空調(diào)”的故事，讓學(xué)生思考草原鼠如何讓風(fēng)通過(guò)洞穴。然后進(jìn)行操作演示：在管內(nèi)加入幾個(gè)泡沫小球，通過(guò)小球的運(yùn)動(dòng)顯示風(fēng)向，打開電源給裝置通氣，觀察到雖然自然風(fēng)只從平地刮過(guò)，但洞穴內(nèi)也會(huì)有風(fēng)將球從左往右吹出管口（圖6）。

演示的同時(shí)配合講解：當(dāng)一股氣流從左往右吹過(guò)小丘時(shí)，小丘上的氣流流速比平地的更快。根據(jù)氣體壓強(qiáng)與氣體流速的關(guān)系，平地上氣體流速小，氣體壓強(qiáng)比較大，壓強(qiáng)差使氣流從平地經(jīng)過(guò)洞穴到達(dá)小丘口，因此草原鼠在洞穴里就能吹到“空調(diào)”。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

本演示儀高集成的設(shè)計(jì)讓操作更簡(jiǎn)便，演示時(shí)只需安裝對(duì)應(yīng)模塊，打開電源即可展示，有助于教師在有限的課堂時(shí)間達(dá)到更高的效率。同時(shí)，組合的模式可以讓教師根據(jù)教學(xué)情況靈活選擇實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示。

其次，該演示儀具有較好的拓展性。演示儀具有可組合的優(yōu)勢(shì)，師生可自行更換組裝不同規(guī)格的管道，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步拓展探究。例如：可以在原有的裝置條件下，在水中放入兩個(gè)小球，用一根針管吸水向兩小球之間排水，從而對(duì)液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系進(jìn)行探究，有條件的還可以在原有基礎(chǔ)上，加上傳感器的配合使用進(jìn)行定量探究。

此外，本演示儀還具有成本低、可視化程度高等優(yōu)點(diǎn)。材料來(lái)源于日常生活，遵從低成本取材的原則，安全、環(huán)保無(wú)污染。巧妙利用小球、水柱等將流體壓強(qiáng)和流速的關(guān)系轉(zhuǎn)化為可以看到的現(xiàn)象，可視化程度高。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）