探究氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系

徐茜茜

摘 要：“氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，增加實(shí)驗(yàn)的可操作性，可見(jiàn)性，趣味性，探究性?？朔鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)和教材實(shí)驗(yàn)的不足，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)具有推廣性，更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)形成的作用。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)；氣壓；流速

一.制定創(chuàng)新目標(biāo)，指明思維方向

“氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”內(nèi)容選自浙教版《科學(xué)》八年級(jí)上冊(cè)第二章第三節(jié)內(nèi)容“大氣壓強(qiáng)”的第二課時(shí)。教材不是直接呈現(xiàn)“氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明以促進(jìn)學(xué)生的理解。學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)中，常因不能運(yùn)用簡(jiǎn)單科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，教師多采用題海戰(zhàn)術(shù)，學(xué)生在做題中逐漸明白原理，但不知看似合理的實(shí)驗(yàn)，在操作中會(huì)出現(xiàn)誤差，這些誤差以及解決方案也成了中考熱門(mén)方向?？茖W(xué)課堂不能只注重傳授知識(shí)，更要重視啟迪學(xué)生的思維，思維能力是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，是學(xué)生必備的核心素養(yǎng)之一。

該節(jié)內(nèi)容是初中生學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)，教材中便于學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)不足，但八年級(jí)學(xué)生易接受直觀明顯的科學(xué)現(xiàn)象。為增加演示實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度和趣味性，筆者改進(jìn)并設(shè)計(jì)了五個(gè)實(shí)驗(yàn)，力爭(zhēng)帶給學(xué)生更大的思維上的沖擊力。學(xué)生在探究氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系活動(dòng)過(guò)程中獲得充足體驗(yàn)，內(nèi)化成新知，教師引導(dǎo)學(xué)生從任務(wù)解決中歸納出解決問(wèn)題的思維，學(xué)生創(chuàng)新力得以提升，這才是筆者實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

二.巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化思維訓(xùn)練

1.任務(wù)驅(qū)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

教學(xué)開(kāi)始，教師手舉兩張白紙，從中間吹氣，紙條閉合，學(xué)生就有了思維任務(wù)，學(xué)生會(huì)帶著任務(wù)去活動(dòng)，在活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。為增強(qiáng)學(xué)生的思維啟迪效果，我設(shè)置遞進(jìn)式提問(wèn)：

①?zèng)]吹氣前，紙條內(nèi)外側(cè)受到氣壓?jiǎn)幔?/p>

②沒(méi)吹氣前，紙條內(nèi)外側(cè)受到氣壓有什么關(guān)系？

③吹氣時(shí)，紙條向內(nèi)側(cè)靠近，此時(shí)紙條內(nèi)外側(cè)受到氣壓相等嗎？

④紙條內(nèi)側(cè)氣壓變小還是紙條外側(cè)氣壓變?。?/p>

⑤什么原因?qū)е录垪l內(nèi)側(cè)氣壓變??？

維果斯基最近發(fā)展區(qū)理論指出，問(wèn)題設(shè)計(jì)與學(xué)生學(xué)情匹配程度，決定課堂教學(xué)的順暢程度，設(shè)置好過(guò)渡語(yǔ)言和過(guò)渡問(wèn)題能最大程度地促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展。

2.“三球共舞”實(shí)驗(yàn)

我們常?？吹竭@樣的趣味實(shí)驗(yàn)，乒乓球被吹風(fēng)機(jī)向上的氣流支撐，懸浮在空中。實(shí)驗(yàn)原理：吹風(fēng)機(jī)垂直向上吹，乒乓球所受向上氣流沖擊力和自身重力二力平衡。根據(jù)伯努利原理可，乒乓球周?chē)諝饬魉俅螅瑲鈮盒。鈬鷼鈮捍?，壓力指向中心，乒乓球不?huì)掉下來(lái)。

筆者去掉吹風(fēng)機(jī)，原有的扁形接頭，用膠槍在新接頭上安裝三根吸管。先用吹風(fēng)機(jī)較小的風(fēng)力吹，實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)看到三只乒乓球共舞的場(chǎng)面。緊接著加大吹風(fēng)機(jī)的風(fēng)力，發(fā)現(xiàn)乒乓球舞動(dòng)得更高了。筆者聯(lián)想到泡沫球，由于重力小，無(wú)法漂浮。在泡沫球上安裝幾個(gè)圖釘，由于圖釘?shù)牟粚?duì)稱(chēng)性，泡沫球能自由地旋轉(zhuǎn)了。教師設(shè)問(wèn)“乒乓球?yàn)槭裁床粫?huì)掉下來(lái)，為什么會(huì)滾動(dòng)”。通過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)比分析，學(xué)生易得出：乒乓球運(yùn)動(dòng)與管口氣體流動(dòng)有關(guān)的結(jié)論。“三球共舞”實(shí)驗(yàn)引課更生動(dòng)。

3.大小管比流速實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一個(gè)重要內(nèi)容就是科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，應(yīng)滲透在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)，實(shí)施，討論等各環(huán)節(jié)，物理實(shí)驗(yàn)探究可促進(jìn)學(xué)生提出問(wèn)題，建立猜想與假設(shè)。對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)，可滲透科學(xué)探究思想，即演示實(shí)驗(yàn)探究化。

教材中“對(duì)玻璃管吹氣的實(shí)驗(yàn)”，筆者認(rèn)為有以下不足之處：

（1）用口接觸玻璃管較不衛(wèi)生，學(xué)生不愿做實(shí)驗(yàn)。

（2）液體透明，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

（3）需較強(qiáng)且穩(wěn)定的吹力，液體才會(huì)被液面上的大氣壓壓入玻璃管內(nèi)。學(xué)生無(wú)法提供穩(wěn)定、較強(qiáng)的氣流。

因此筆者進(jìn)行如下改進(jìn)，用一個(gè)風(fēng)力較大的吹風(fēng)機(jī)作為穩(wěn)定的風(fēng)源，分別吹口徑不同的塑料管，口徑大的塑料管通過(guò)的氣體流速小。塑料管的下方鉆孔，連接裝有紅墨水的U形壓強(qiáng)計(jì)。先用大管演示，打開(kāi)吹吸機(jī)，U形管兩邊出現(xiàn)了高度差，說(shuō)明流速越大，壓強(qiáng)越小。接著換用小管重復(fù)實(shí)驗(yàn)，為使風(fēng)量保持一致，將吹吸機(jī)原有的接管套上。U形管兩邊液面高度差更大。說(shuō)明流速更大，壓強(qiáng)更小。

用紅墨水代替清水，用U形管顯示壓強(qiáng)變化，實(shí)驗(yàn)效果更明顯。用吹吸機(jī)吹氣，吹氣力度和吹氣時(shí)間都易控制。通過(guò)直觀對(duì)比，學(xué)生易明白氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。在此探究過(guò)程中，學(xué)生受到了科學(xué)探究思維訓(xùn)練，對(duì)科學(xué)探究某些環(huán)節(jié)和控制變量法有了更深的理解和掌握，有利于科學(xué)探究能力的形成。

4.泡沫塑料板模擬飛機(jī)升力

理論應(yīng)用于實(shí)踐，氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的一個(gè)重要應(yīng)用就是飛機(jī)。教材中“科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境”部分中對(duì)飛機(jī)有描述。為了更貼近生活，筆者用塑料板模擬飛機(jī)，用含扁頭的吹風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)源。為避免人為干擾，演示者的手盡量避免直接接觸到塑料板。

可觀察到塑料板能水平橫起，演示者的手也感覺(jué)到較大升力。該實(shí)驗(yàn)學(xué)生易操作，利用簡(jiǎn)單物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且成功率較高，學(xué)生回家也能完成此實(shí)驗(yàn)。

5.模擬飛機(jī)上下表面流速差

教材中“飛機(jī)機(jī)翼獲得升力原理圖”。飛機(jī)升力教學(xué)存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，教材僅指機(jī)翼與周?chē)諝獍l(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，人們一般感受到飛機(jī)前進(jìn)，空氣是幾乎不動(dòng)的，教材編寫(xiě)這一關(guān)鍵問(wèn)題缺少解釋?zhuān)鶕?jù)流動(dòng)力學(xué)原理，在相同時(shí)間內(nèi)，機(jī)翼上側(cè)空氣流動(dòng)較長(zhǎng)距離，上側(cè)空氣流速大于下側(cè)，上方空氣壓力小于下方，使飛機(jī)產(chǎn)生向上升力。靜態(tài)圖片和文字描述對(duì)學(xué)生無(wú)視覺(jué)沖擊力。

氣體流動(dòng)性較強(qiáng)，很小的壓強(qiáng)差也會(huì)導(dǎo)致氣體迅速流動(dòng)。由伯努利公式：ρgh+1/2pv2+p=常數(shù)，若在同一平面，則1/2pv2+p=常數(shù)。氣體流動(dòng)性較強(qiáng)，很小的壓強(qiáng)差也會(huì)導(dǎo)致氣體迅速流動(dòng)，微小壓強(qiáng)差不會(huì)引起密度明顯變化，因此可把氣體視為理想流體模型，設(shè)置曲線。曲線上的切線方向代表氣體在該時(shí)刻流動(dòng)方向，密集程度代表氣體流動(dòng)速度。曲線不會(huì)相交，流速越大分布越密集。筆者聯(lián)想到磁感線知識(shí)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁感線越密集，氣體流速越大，氣體分布越密集，為此筆者設(shè)計(jì)“模擬飛機(jī)上下表面流速差”的實(shí)驗(yàn)。

筆者借助飛機(jī)升力原理演示器，用五根棉線模擬流動(dòng)的氣流，當(dāng)飛機(jī)升起時(shí)，將棉線分別置于飛機(jī)的上下表面?？砂l(fā)現(xiàn)飛機(jī)上表面棉線密集，下表面棉線幾乎接近疏松平行，說(shuō)明飛機(jī)上表面空氣流速大，下方空氣流速小。

6.測(cè)量飛機(jī)模型上下表面壓強(qiáng)

筆者用U形壓強(qiáng)計(jì)測(cè)量飛機(jī)模型上下表面壓強(qiáng)。筆者設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不是為了得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而是為了比較飛機(jī)模型上下表面壓強(qiáng)差。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將U形管斜放，飛機(jī)模型上下表面壓強(qiáng)差更大。用玻璃管口垂直風(fēng)向，置于飛機(jī)模型的下表面，可見(jiàn)U形管兩端液面差。用玻璃管口垂直置于飛機(jī)的上表面，U形管兩端液面差更大了。說(shuō)明飛機(jī)上表面壓強(qiáng)大于下表面壓強(qiáng)，進(jìn)一步說(shuō)明氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

用壓強(qiáng)計(jì)直接測(cè)出飛機(jī)上下表面壓強(qiáng)，化抽象為具體，大大降低了學(xué)生思維上的跨度。

7.利用吸管等演示“氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”

將探究之所得帶回家，筆者布置課后作業(yè)：學(xué)生利用吸管、飲料瓶蓋、泡沫球自制實(shí)驗(yàn)器材，將飲料瓶蓋鉆孔，用膠槍粘于吸管一端，豎管短，橫管也不宜較長(zhǎng)，兩者夾角約90°，吹氣流速快但要平穩(wěn)。學(xué)生吹吸管，泡沫球會(huì)懸空。

思維是以感知為基礎(chǔ)，對(duì)抽象事物的反映，課后設(shè)置有趣實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能將抽象的問(wèn)題具體化。學(xué)生在認(rèn)識(shí)到氣體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的同時(shí)，還能體會(huì)到物理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的樂(lè)趣，并有理由相信，自己在生活中也能完成出色的物理實(shí)驗(yàn)。

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