應(yīng)用紋影成像　突破教學(xué)困惑

張振輝　羅承汛　鐘儀　皮飛鵬

摘? ?要：初中生處于具體思維向形象思維過渡的階段，可視化作為培養(yǎng)學(xué)生形象思維的重要方法逐漸受到重視。針對目前“探究流體壓強與流速的關(guān)系”實驗中氣體的流動難以直接觀察的不足，創(chuàng)新性地采用紋影成像實現(xiàn)了氣體流動現(xiàn)象的可視化，以期為實驗教學(xué)提供新思路，從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，幫助學(xué)生更有效地經(jīng)歷科學(xué)探究過程。

關(guān)鍵詞：紋影成像；可視化；氣體壓強與流速的關(guān)系

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0049-4

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求學(xué)生在學(xué)習(xí)“流體壓強與流速的關(guān)系”時，知道大氣壓強及其與人類生活的關(guān)系，了解流體壓強與流速的關(guān)系及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用［1］。教師在教授此章節(jié)時，常用簡便的演示實驗引導(dǎo)學(xué)生探究流體壓強與流速的關(guān)系，改進的實驗還包括 “電吹風(fēng)吹球”“漏斗吹球”“不等高水柱”“被風(fēng)吸引的小球”等［2-3］。此類實驗用手觸摸氣流來感受流速變化，簡單地認為吹氣位置氣體流速較大，學(xué)生并未真正觀察到氣體流動。

根據(jù)認知發(fā)展階段理論，大部分初中學(xué)生的思維發(fā)展處在從具體運算階段向形式運算階段發(fā)展的過程，他們的思維運演離不開具體事物的支持，習(xí)慣依靠經(jīng)驗材料判斷和分析事物［4］。因此，在初中物理教學(xué)過程中必須給學(xué)生提供足夠的感性材料，以此加深物理現(xiàn)象和規(guī)律的聯(lián)系。

本研究將“紋影成像”技術(shù)應(yīng)用到初中物理實驗中，讓空氣流動可視化，使學(xué)生可以清晰地觀察到實驗現(xiàn)象，在提高學(xué)習(xí)積極性的同時，經(jīng)歷科學(xué)探究得出物理規(guī)律。

1? ? 紋影成像原理簡介

1.1? ? 紋影成像

紋影法又稱紋影術(shù)，是一種非接觸式的流場可視化手段，其基本原理是光在被測流場中的折射率正比于流場的氣流密度，即Gladstone-Dale關(guān)系：

n=1+Kρ

其中，n為氣體的折射率，ρ為氣體的密度，K為Gladstone-Dale系數(shù)。

由Gladstone-Dale關(guān)系可以將擾動的氣體密度的變化，轉(zhuǎn)化為氣體折射率的變化，通過紋影技術(shù)將折射率變化轉(zhuǎn)變?yōu)槊靼底兓募y影圖像，從而實現(xiàn)氣流的可視化［5］。

1.2? ? 紋影裝置的搭建

紋影技術(shù)所需的器材簡單，對光源和光學(xué)器件的精度要求較低，易于搭建，適用于中學(xué)課堂。本研究搭建的紋影光路為單鏡離軸光路，這種光路搭建難度較小，成像質(zhì)量能夠滿足中學(xué)課堂對氣流可視化的需求。

紋影實驗光路如圖1所示，該實驗裝置由凹球面反射鏡（焦距750 mm）、LED光源、刀片（遮光片）和相機（手機攝像頭）組成，光在傳播過程中經(jīng)過折射率不均勻的氣體擾動區(qū)，光的傳播軌跡就會按照一定的折射角發(fā)生變化從而形成紋影圖像，相機即可捕捉到紋影圖。

紋影裝置搭建步驟如下：

（1）對LED燈進行部分遮光處理，使其盡量滿足點光源的條件；

（2）將光源固定放置在凹球面反射鏡的2倍焦距處；

（3）在2倍焦距平面附近尋找光源所產(chǎn)生的最亮光斑的位置；

（4）移動刀片到光斑最亮的位置并遮住一半光斑，再移動相機使剩下光斑能夠進入攝像頭；

（5）適當(dāng)降低相機的曝光度，得到對比度清晰的紋影圖像；

（6）手機相機記錄的紋影圖像可以實時傳輸?shù)桨装迳?，方便學(xué)生觀看。

此外，要盡可能調(diào)整攝像頭的位置與LED光源的位置靠近，這樣可以減少實物與實物在凹球面反射鏡所成的像的交疊而產(chǎn)生紋影圖像的重影現(xiàn)象。紋影實驗裝置實物如圖2所示。

2? ? 紋影成像的教學(xué)應(yīng)用

在課堂上，與氣體流動相關(guān)的演示實驗可以結(jié)合紋影技術(shù)，使學(xué)生既能看到實物現(xiàn)象，又可利用攝影看到實驗過程中的氣體流動，提高本節(jié)課對氣體流動實驗的演示效果。

2.1? ? “相吸的紙張”——突破盲點

“流體壓強與流速的關(guān)系”一節(jié)中設(shè)計的課堂演示實驗是“相吸的紙張”：手握兩張紙，讓紙自由下垂，在兩張紙中間向下吹氣?！跋辔募垙垺睂嶒炛荚谧寣W(xué)生觀察兩紙在吹氣過程中往中間靠攏的現(xiàn)象，得到氣體流速越大壓強越小的結(jié)論。實驗中，雖有“吹氣”的動作，但學(xué)生更多地依靠生活經(jīng)驗來理解“吹氣的空間氣體流速大”，科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性均不夠高。因此，在原有實驗的基礎(chǔ)上，突破現(xiàn)象的盲點，讓學(xué)生借助紋影法觀察圖像，感性和理性兼具地理解氣體流速的不同，能幫助學(xué)生更好地理解實驗現(xiàn)象。

提前調(diào)節(jié)好紋影光路和手機的曝光參數(shù)，并將拍攝的畫面實時投影到教室的白板上，得到清晰的圖像。手握兩張自由下垂的紙張置于氣流擾動區(qū)中，并使LED光源發(fā)出的光線從兩紙張之間穿過。啟動吹風(fēng)機吹氣（使用吹風(fēng)機可長時間維持實驗現(xiàn)象），學(xué)生觀察到圖3，兩紙張往中間靠攏，用手機拍攝的紋影圖像如圖4所示。

通過圖像可以直觀地發(fā)現(xiàn)，紙張之間的區(qū)域明暗對比度較大（氣體流速大），而紙張兩外側(cè)區(qū)域明暗對比度較小（氣體流速?。?；紙張在吹氣時相互靠攏，代表中間區(qū)域的氣體壓強小，兩側(cè)的氣體壓強大。由此，學(xué)生不僅可以看到演示實驗的全過程，還可以結(jié)合氣流的紋影圖像眼見為實，在直觀的實驗現(xiàn)象中增強感性認識，更順利地得出氣體在流速大的位置壓強小的結(jié)論，符合其心理發(fā)展規(guī)律。

變式練習(xí)——“相吸的乒乓球”：

“相吸的乒乓球”憑借取材簡單、制作便捷、效果明顯等優(yōu)點也常見于物理課堂，可作為“相吸的紙張”的變式實驗引入課堂。將器材如圖5放置，通過紋影圖像（圖6）可觀察到，吹氣時兩乒乓球之間區(qū)域的明暗對比度較高，可以清晰地看到一束氣流，乒乓球外側(cè)區(qū)域沒有明顯的明暗對比，這樣在乒乓球中間與兩側(cè)形成了氣壓差，在吹氣的時候乒乓球迅速往中間靠攏。紋影圖像能清晰定格氣流吹出的一瞬間，并直接對乒乓球進行受力分析，方便學(xué)生對實驗現(xiàn)象進行思考。這種對例證進行微小改變的變式練習(xí)可以在保證其他條件不變的情況下，通過適當(dāng)?shù)膹?fù)習(xí)聯(lián)系，使知識得到鞏固，將陳述性知識轉(zhuǎn)化成規(guī)律性知識。

2.2? ? “懸浮的乒乓球”——突破難點

“懸浮的乒乓球”是教師常用的另一個“氣體壓強與流速的關(guān)系”演示實驗：用吹風(fēng)機吹出豎直向上的氣流，乒乓球在空氣的作用下懸浮在空中。此現(xiàn)象教師一般解釋為吹風(fēng)口的空氣流速大，流速大壓強小，因此乒乓球被緊緊“壓”在吹風(fēng)機上方。但若將吹風(fēng)機的風(fēng)向小角度地傾斜，乒乓球依然可以穩(wěn)定懸?。▓D7）。因此，該解釋并不嚴(yán)謹(jǐn)。

如果利用紋影成像對氣體的流動進行圖像顯化，教師能更加科學(xué)地解釋該實驗現(xiàn)象。這里展示風(fēng)向傾斜時的情況。用吹風(fēng)機傾斜一定角度吹風(fēng)，使乒乓球懸浮于紋影光路的氣體擾動區(qū)，此時的紋影圖像如圖8所示。可以看出，乒乓球表面較近的區(qū)域明暗對比度較強，說明氣體流速較大，反之在離乒乓球表面較遠的位置氣體流速較小或沒有氣流，那么乒乓球表面的氣流與周圍未被擾動的空氣形成了較大的壓強差，產(chǎn)生指向小球的壓力。正是這個壓力讓乒乓球受力達到平衡，能夠懸浮于空中［6］。從紋影圖像也可以看到吹風(fēng)機吹出來的氣流并非不變，經(jīng)過乒乓球的氣流時刻變化，這些氣流差異形成的壓力又產(chǎn)生了力矩，因此可以觀察到乒乓球在懸浮的過程中又伴隨著自轉(zhuǎn)［6］。此外，從紋影圖像上可以看到乒乓球有輕微的重影現(xiàn)象，這是乒乓球和它在凹球面鏡反射的像交疊所導(dǎo)致的。

利用紋影法對“懸浮的乒乓球”演示實驗的氣流進行可視化，可以讓學(xué)生在觀察實驗現(xiàn)象的同時，對不可見的氣流進行更深層次的分析，經(jīng)歷科學(xué)探究的過程；有助于教師突破教學(xué)難點，引導(dǎo)學(xué)生對材料進行分析綜合、抽象概括，從而推理得到流體壓強與流速的關(guān)系。

2.3? ? 趣味性拓展實驗——突破煩點

除了課堂演示實驗，在課后教師同樣可以利用紋影技術(shù)開展趣味性拓展實驗，使學(xué)生將實驗感知和思維活動結(jié)合，不僅培養(yǎng)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度，對課內(nèi)知識進行課外延伸，以突破“從生活走向物理”的教學(xué)煩點。

如圖9所示，將水杯放置在氣體擾動區(qū)，往水杯中緩慢倒入熱水，通過紋影圖像可以觀察到氣流緩緩升起。這是因為杯子附近的空氣溫度高，密度小，形成了向上的熱氣流。溫度的不均勻分布和上升的氣流導(dǎo)致局部的空氣折射率發(fā)生變化，在紋影光路下轉(zhuǎn)化為明暗對比的圖像，達到可視化的效果。相比于平時直接觀察熱水上方的液化“小水珠”，紋影成像后呈現(xiàn)的氣體流動區(qū)域更廣，效果更清晰。

圖10為使用打火機點火時的紋影圖像，由于火焰的溫度非常高，產(chǎn)生了巨大的熱氣流。紋影圖像上的明暗對比度高，說明火焰產(chǎn)生的熱氣流流速大，雜亂無章，迅速上升，紋影效果最為明顯。

3? ? 總? 結(jié)

物理教學(xué)中的實驗，基礎(chǔ)在于讓學(xué)生有體驗。本文創(chuàng)新性地用紋影成像將“摸得著但看不見”的氣流可視化，課堂上把紋影圖像投屏，在其上對物體進行分析，直觀性強，在學(xué)生的頭腦中形成生動的表象，提升了物理教學(xué)實驗的“體驗感”；實驗結(jié)束后，及時對物體進行受力分析，引導(dǎo)學(xué)生參與規(guī)范的推理論證過程，這是在感性材料加工后培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，強調(diào)物理教學(xué)實驗的重點——科學(xué)思維；在課余時間，利用紋影法還能開展一些課外趣味性實驗，讓學(xué)生觀察生活中形形色色的氣流，開拓視野，激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)其科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力，充分體現(xiàn)了物理學(xué)科實驗的培養(yǎng)核心——科學(xué)素養(yǎng)。

單鏡離軸紋影光路搭建簡單，耗材較少，可重復(fù)性強，教師容易上手，且效果顯著。該方法在探究“流體壓強與流速的關(guān)系”中的應(yīng)用也不局限于以上實驗，還可輔助演示“飛機的升力”“不等高的液柱”“隔杯吹蠟燭”等內(nèi)容；此外，在“聲音的特性”“分子熱運動”等章節(jié)中，紋影成像還可用于超聲波、擴散現(xiàn)象等實驗的可視化。因此，可應(yīng)用紋影成像對初中物理實驗進行創(chuàng)新，操作簡便，應(yīng)用范圍廣，同時也為教師提供教學(xué)和實驗的新思路。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學(xué)出版社，２０２２．

［２］彭鈺嵋，邱文婷，李佳健，等．自制多功能氣體壓強與流速關(guān)系演示儀［Ｊ］． 物理教學(xué)探討，２０２１，３９（８）：５２－５４．

［３］梅硯君．驗證流體壓強與流速的關(guān)系［Ｊ］．物理教學(xué)， ２００９，３１（７）：２４，１５．

［４］謝桂英．自制低成本教具，提高初中物理演示實驗教學(xué)的有效性［Ｊ］．物理實驗，２０１４，３４（４）：１１－１４，１８．

［５］張津碩，劉豐琦，柳鴻運，等．利用紋影法測量氣體的噴流速度［Ｊ］．實驗室研究與探索， ２０２２，４１（１）：２８－３２．

［６］李耀俊，任樹榆．用柯恩達效應(yīng)科學(xué)解釋電吹風(fēng)懸浮乒乓球?qū)嶒灒郏剩荩锢斫處?，２０１９，４０（３）：５８－５９，６６?/p>

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）