流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

戴同蘭 程志飛

摘 要：使用飲料瓶等日常用品制作教具說明流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，形象、直觀，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，既能拉近物理學(xué)與日常生活的距離，讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實(shí)性，也符合物理新課標(biāo)倡導(dǎo)的“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”教具制作理念.

關(guān)鍵詞：流體壓強(qiáng);流速;實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）20-0039-02

基金項(xiàng)目：江蘇省泰州市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度課題“核心素養(yǎng)視域下的初中物理系列化微課開發(fā)的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2018jksyiblx029）;

江蘇省泰州市2019年度教育信息化專項(xiàng)課題“基于微課資源提升農(nóng)村初中生物理學(xué)科素養(yǎng)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019jksxxh002）.

作者簡(jiǎn)介：戴同蘭（1968-），女，江蘇泰州人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理教育教學(xué);

程志飛（1994-），男，江蘇泰州人，本科，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：自制教具和物理思維的建構(gòu).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的背景

流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系是蘇科版物理教材八年級(jí)下冊(cè)第十章第3節(jié)的內(nèi)容.這部分內(nèi)容安排在學(xué)生學(xué)習(xí)壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)和氣體壓強(qiáng)之后，氣體壓強(qiáng)這一節(jié)的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的要求是：了解流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系及其在生活中的應(yīng)用，同時(shí)還安排一個(gè)例子，即課標(biāo)的例6了解飛機(jī)的升力是怎樣產(chǎn)生的？

課本中流體的概念是：液體和氣體統(tǒng)稱為流體.蘇科版八下物理課本P88頁(yè)在這部分內(nèi)容中安排有一個(gè)活動(dòng)，即活動(dòng)10.8：探究流速對(duì)流體壓強(qiáng)的影響.為了讓學(xué)生理解流體的流速對(duì)流體壓強(qiáng)的影響，在該活動(dòng)中課本一共安排三個(gè)小實(shí)驗(yàn)，這三個(gè)小實(shí)驗(yàn)分別是：如圖1所示，將紙條的一端按在嘴唇的下方，然后用嘴向紙條上方水平吹氣，我們看到的現(xiàn)象是，紙條不但沒有向下運(yùn)動(dòng)，反而會(huì)向上飄飛起來;如圖2所示，向懸掛著的氣球一側(cè)沿著水平方向吹氣，看到的現(xiàn)象是氣球不但不會(huì)被吹跑，而是會(huì)向吹氣的一側(cè)偏過來;如圖3所示，吹硬幣的實(shí)驗(yàn)，在水平桌面上放一個(gè)盤子和一枚硬幣（最好用以前使用的分幣即1分、2分或5分的硬幣），然后用嘴對(duì)著硬幣上方沿著水平方向吹氣，看到的現(xiàn)象是：硬幣會(huì)被吹進(jìn)盤中.

另外在教材的“生活·物理·社會(huì)”中，還向?qū)W生介紹飛機(jī)的升力從何而來？為什么飛機(jī)在空中飛行時(shí)不會(huì)掉下來？原來飛機(jī)機(jī)翼截面的形狀如圖4的右下角所示，當(dāng)飛機(jī)在天空中飛行時(shí)，氣流從飛機(jī)機(jī)翼的前緣開始分為上下兩部分，由于飛機(jī)機(jī)翼的特殊形狀，即上面凸下面平，使得飛機(jī)機(jī)翼的上方氣流比下方氣流的流速大，所以下方空氣的壓強(qiáng)大于上方空氣的壓強(qiáng)，而使飛機(jī)機(jī)翼得到向上的升力.課本書后3W的第3題是學(xué)生根據(jù)流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系用吸管和瓶子自制的“口吹噴霧器”， 如圖5所示， 從上方飲料吸管的一端吹氣，水將從下方管的管口噴出，且呈霧狀.課本書后3W的第4題，如圖6所示，從倒置的漏斗口向下吹氣，乒乓球不但不會(huì)掉下來，反而向漏斗頸部運(yùn)動(dòng)，等等一系列的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)都反映氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系.不知是編者的疏忽，還是有意留下讓學(xué)生自己去探究的懸念，也可能是編者認(rèn)為液體和氣體都屬于流體，所以氣體的壓強(qiáng)與流速關(guān)系同樣適用于液體.因此課本上沒有一處能體現(xiàn)液體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的實(shí)驗(yàn).筆者認(rèn)為既然是要求學(xué)生了解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，而流體又包括液體和氣體，對(duì)液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系也就應(yīng)該有所探究.

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

為了探究液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，本人利用一些簡(jiǎn)單易得的器材制作一套演示液體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置.實(shí)驗(yàn)效果非常明顯，帶給學(xué)生更大的視覺上和思維上的沖擊力.

實(shí)驗(yàn)器材：大可樂瓶、雪碧瓶、礦泉水瓶、熱熔膠、PVC管、粗細(xì)相同的吸管、水、紅墨水、沙子、多種顏色的圓珠筆芯、水筆芯、剪刀、大水槽、礦泉水瓶蓋子等.

該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要能直觀地反映出流體流速的大小.如圖7所示，盡管學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)或者直接觀察比較出較細(xì)的管中液體流速較大，但是利用該裝置能直接從細(xì)小的各種不同顏色的小筆管的流動(dòng)速度很直觀地看出流體流速的大小，向裝置中注入水后，各種不同顏色的小筆管運(yùn)動(dòng)到細(xì)管處時(shí)明顯的要比粗管處流動(dòng)速度快，說明細(xì)管處液體流速更快.該裝置的設(shè)計(jì)目的在于用看得見的各種不同顏色的小筆管的流動(dòng)速度反映不容易看見的液體流速的快慢，這是物理學(xué)上典型的轉(zhuǎn)換法，由此說明水管的橫截面積越小液體的流速越大，該裝置可視性好，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯.

實(shí)驗(yàn)裝置包括兩部分，第一部分如圖8所示，其作用是為了顯示管道粗細(xì)對(duì)液體流速的影響.圖8中的支架由礦泉水瓶的瓶蓋制成，它的作用是：由于該實(shí)驗(yàn)材料在制作時(shí)，用到了橫截面積不同的塑料瓶，為了使整個(gè)器材的中心在同一水平面，防止誤認(rèn)為若裝置傾斜的話，是由于重力的作用使得液體的流速不同，所以在橫截面積較小的飲料瓶的下方安裝支架.

第二部分實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，大礦泉水瓶底部的沙子起到增大礦泉水瓶的質(zhì)量的作用，增大礦泉水瓶的慣性，防止大礦泉水瓶?jī)A斜或倒下.在粗細(xì)不同的管子上用熱熔膠固定粗細(xì)相同的吸管，從吸管中可以看出噴出的液柱上升的高度，液柱上升的高度越大，說明該處液體的壓強(qiáng)越大.實(shí)驗(yàn)中用的是紅墨水染成的紅色液體，根據(jù)心理學(xué)方面的知識(shí)可知，鮮艷的色彩有助于吸引學(xué)生的注意力，這樣可以將不太明顯的液柱上升的高度部分顯現(xiàn)出來，根據(jù)上面粗細(xì)相同的管中噴出水柱的高低，可以直觀地反映下面管內(nèi)液體的壓強(qiáng)的大小.從圖9 可以看出，最右側(cè)的管子最粗，根據(jù)圖7的現(xiàn)象可以知道，該管中液體的流速最小，而它上面的吸管中液柱上升得最高，說明該處的壓強(qiáng)最大.再結(jié)合課本活動(dòng)10.8，就可以很自然地得出流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系是：流速越大，流體的壓強(qiáng)越小.

3 創(chuàng)新點(diǎn)的說明

在教材“探究流速對(duì)流體壓強(qiáng)的影響”的活動(dòng)中只探究氣體流速對(duì)氣體壓強(qiáng)的影響，而沒有探究液體流速對(duì)液體壓強(qiáng)影響，所以這套教具可以彌補(bǔ)這一實(shí)驗(yàn)空白，反映液體流速對(duì)液體壓強(qiáng)的影響，使最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有普遍性.

如圖10所示，這兩個(gè)教具的組合，可以讓學(xué)生直觀地了解管道粗細(xì)對(duì)液體流速的影響以及液體流速對(duì)液體壓強(qiáng)的影響.使用飲料瓶等日常用品制作教具進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，既能拉近物理學(xué)與日常生活的距離，讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實(shí)性，也符合課標(biāo)倡導(dǎo)的“利用身邊的物品、器具、材料等進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，不但具有簡(jiǎn)便、直觀等優(yōu)點(diǎn)，而且有利于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)”.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2021-06-19）