伯努利原理教學(xué)中的趣味實(shí)驗(yàn)

洪子量

摘 要：伯努利原理是流體力學(xué)中的一個(gè)重要原理，在飛行領(lǐng)域及現(xiàn)實(shí)生活中有很多的重要應(yīng)用。本文介紹了在學(xué)習(xí)伯努利原理中做的幾個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯有趣，對(duì)于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解伯努利原理有重要意義。

關(guān)鍵詞：流體壓強(qiáng)；流速；伯努利原理；趣味實(shí)驗(yàn)；康達(dá)效應(yīng)；馬格努斯效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）1-0060-2

伯努利原理是流體力學(xué)中的一個(gè)重要原理，在初中人教版八年級(jí)下冊(cè)第九章中，學(xué)生在學(xué)習(xí)了“液體的壓強(qiáng)”和“大氣壓強(qiáng)”的基礎(chǔ)上，繼續(xù)學(xué)習(xí)“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”，即伯努利原理。該原理在1726年由瑞士物理學(xué)家丹尼爾·伯努利首先提出，它說(shuō)明了流體壓力的一個(gè)特征——對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)的流體（如穩(wěn)定流動(dòng)中的空氣或水）在橫截面大的地方，流速小，壓強(qiáng)大，而在橫截面小的地方，流速大，壓強(qiáng)小[1]。伯努利原理應(yīng)用非常廣泛，如飛機(jī)的升力、噴霧器等。本文介紹伯努力原理教學(xué)中有關(guān)的趣味實(shí)驗(yàn)，供大家參考。

1 乒乓球炮彈

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)大功率電吹風(fēng)作為風(fēng)源，透明塑料紙一張，乒乓球若干個(gè)。實(shí)驗(yàn)制作時(shí)，將透明塑料紙裹成直徑為稍大于乒乓球直徑的紙筒。演示的時(shí)候，將乒乓球放在一個(gè)盤(pán)子里，紙筒的下端靠近乒乓球，打開(kāi)電吹風(fēng)后，將電吹風(fēng)沿著紙筒的上端吹氣，這時(shí)候，我們就可以看見(jiàn)乒乓球像“炮彈”一樣發(fā)射出來(lái)了。本實(shí)驗(yàn)需要注意：電吹風(fēng)的功率要比較大，風(fēng)力要強(qiáng)，吹風(fēng)的角度也十分重要，這是本實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)用吹風(fēng)機(jī)吹紙筒上端的時(shí)候，上端空氣流速加快，壓強(qiáng)減小，下端壓強(qiáng)不變，在紙筒上下端壓強(qiáng)差的作用下，產(chǎn)生一股由下向上的氣流，紙筒下端的乒乓球也就隨著氣流從紙筒上端發(fā)射出來(lái)（圖2）[2]。

2 氣球風(fēng)輪

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的主要器材是：一個(gè)大功率鼓風(fēng)機(jī)，點(diǎn)膠，氣球若干個(gè)。制作時(shí)，首先將氣球吹得同樣大并系好，然后用點(diǎn)膠將氣球粘結(jié)成內(nèi)一圈外一圈的一個(gè)圓形氣球環(huán)。演示時(shí)，先用一只手扶著氣球環(huán)，然后拿著鼓風(fēng)機(jī)對(duì)著氣球環(huán)的一端吹氣，這時(shí)候，我們就會(huì)看見(jiàn)氣球環(huán)懸浮在空中并且旋轉(zhuǎn)起來(lái)。本實(shí)驗(yàn)需要注意的是，必須找準(zhǔn)鼓風(fēng)機(jī)給氣球環(huán)吹風(fēng)的位置，氣球環(huán)受本身的重力，同時(shí)受到鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)時(shí)一個(gè)沖擊力，在合力矩的作用下，氣球風(fēng)輪就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)（圖3）。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)利用了康達(dá)效應(yīng)，流體（水流或氣流）有偏離原來(lái)的流動(dòng)方向，改為隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向[2]。當(dāng)我們用吹風(fēng)機(jī)在氣球斜下方吹氣的時(shí)候，氣流吹向氣球的表面時(shí)，氣流會(huì)隨著氣球的表面流動(dòng)，氣球表面的流速會(huì)加快，壓力會(huì)減小，而外圍的空氣流速就會(huì)比較慢，壓力也就會(huì)比較大。而旋轉(zhuǎn)氣球附近空氣流速快，壓力小。形成了一個(gè)帶動(dòng)圓形氣球環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)的力矩，于是氣球環(huán)就可以在空中轉(zhuǎn)起來(lái)。

著名球星在踢足球時(shí)，可以使飛出的足球高速旋轉(zhuǎn)，足球除了受到重力之外，還會(huì)受到周邊空氣的阻力和力矩，沿著與拋物線不同的奇妙路線飛行，球星往往用這種方式攻破對(duì)方球門(mén)。這種現(xiàn)象是著名的馬格努斯效應(yīng)。

3 紙箱吐煙圈

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)要用到30 cm*30 cm空紙箱一個(gè)、蚊香（或線香）、蠟燭幾根、透明膠一圈、尖頭剪刀一把。用透明膠將紙箱角落密封好，在空紙箱的某一面用剪刀開(kāi)一個(gè)直徑為8 cm的圓孔。通過(guò)圓孔，將蚊香產(chǎn)生的煙霧充滿紙箱，再把紙箱放在桌面上，并在紙箱開(kāi)口前方2 m處的桌面上，放上點(diǎn)燃的蠟燭。演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，用手拍打紙箱的兩側(cè)，這時(shí)候會(huì)觀察到一團(tuán)煙霧從紙箱口中吐出，煙霧離開(kāi)紙箱口并沒(méi)有散開(kāi)，而是形成一個(gè)煙圈，逐漸變大，像一個(gè)空氣炮彈，能把桌面上的蠟燭吹滅（圖4）。

本實(shí)驗(yàn)需要注意的是，圓孔的直徑必須大小合適。如果紙箱體積比較大，則圓孔開(kāi)口直徑也相應(yīng)較大，反之，如果紙箱體積較小，圓孔開(kāi)口直徑也較小。如果圓孔的開(kāi)口直徑過(guò)小，煙霧從圓孔中噴射出來(lái)的速度過(guò)大，則不會(huì)形成煙圈。如果圓孔的開(kāi)口直徑過(guò)大，擠壓出來(lái)的煙霧速度過(guò)慢，會(huì)馬上散開(kāi)了，也不會(huì)形成煙圈。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

紙箱中充滿的煙氣受到擠壓后，通過(guò)圓孔排出一團(tuán)煙氣，這時(shí)離氣流中心較遠(yuǎn)的煙氣微粒，由于受到紙箱壁的阻礙，相對(duì)于氣流中心的煙氣來(lái)說(shuō)，向后運(yùn)動(dòng)，并向速度大的氣流中心處靠攏。而對(duì)于氣流中心的煙氣來(lái)說(shuō)，由于受到空氣的阻礙作用，在前進(jìn)過(guò)程中逐步遠(yuǎn)離氣流中心，向斜上方運(yùn)動(dòng)，從而造成快速旋轉(zhuǎn)而成為煙圈狀（如圖5）[3]。根據(jù)伯努利原理，流體流速快，壓強(qiáng)小，圓孔出口周邊的空氣是靜止的，因此從圓孔中流出的煙氣微粒會(huì)牽引靜止的周邊空氣，由此形成了一個(gè)從孔洞邊緣向外再轉(zhuǎn)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)渦流，所以圓孔處出來(lái)的煙氣渦旋壓強(qiáng)小，煙圈在空氣中保持，沒(méi)有四處散開(kāi)，因此可以前進(jìn)較長(zhǎng)一段距離[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在教學(xué)中巧妙地設(shè)計(jì)及運(yùn)用趣味物理實(shí)驗(yàn)，能大大地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。本文中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)取材來(lái)自于生活，制作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生思維的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅能在教學(xué)中取得良好的效果，也可以在科普秀中表演。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳玉祥. 伯努利原理趣談[J]. 科學(xué)大眾，1965（05）：32-33.

[2]黃樺，陳小敏. 教科書(shū)中伯努利原理演示實(shí)驗(yàn)的誤解與正解[J]. 物理教學(xué)，2017，39（04）：20-22.

[3]余小英. 紙箱吐煙圈實(shí)驗(yàn)中煙圈形成原理探析[J]. 廣西民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，29（03）：27-29.endprint