流體壓強與流速關系的實驗探究

一、流體壓強與流速關系的傳統(tǒng)實驗

1.水流沖不走乒乓球：取一個玻璃漏斗，將漏斗的頸部通過膠皮管與水龍頭相連。漏斗的喇叭口向下放置，將一個乒乓球置于喇叭口處，先用手按住乒乓球，然后打開水龍頭，讓水流向乒乓球并從喇叭口處流出，可以看到，水流并沒有沖走乒乓球，乒乓球被牢牢“吸”在漏斗頸部。水流從頸部流向喇叭口時，由于橫截面積增大，流速減小，流體壓強增大，致使乒乓球下方的流體壓強大于上方，因此乒乓球好像被拖住了。

2.吹不翻的撲克牌：取一張撲克牌，將其中間對折，使對折后的兩部分間所夾角度在90°左右，將撲克牌立在桌面上，凹進去的地方朝向桌面，然后用力向折角下方的空間吹氣，撲克牌并沒有被吹倒。撲克牌下方的空氣流速大，壓強小，折角處上方的壓強大于下方，撲克牌不會翻倒，但有向兩邊擴張的趨勢。

3.自制噴霧器：取一長一短兩支吸管，取一個裝入適量水的燒杯，將短管插入水中，但不要沒入水中，用長管對準短管的上部吹氣，會發(fā)現(xiàn)長短管交界處被吹出了水霧。短管上方的空氣流速加快，大氣壓強減小，水面上方的大氣壓強將水通過短管壓至長短管交界處，由于氣流的作用，水被吹成了霧狀。傳統(tǒng)實驗選材簡單，操作容易，現(xiàn)象明顯，有利于激發(fā)學生的學習興趣。但有的學生提出質疑，傳統(tǒng)實驗只是通過流體壓強與流速關系得到的現(xiàn)象，而他們并未看到流體壓強隨流速的變化是否真的發(fā)生變化了，未解決這一問題，筆者認為需要設計定量實驗。

二、通過一道課后習題引發(fā)的思考

人教版物理教材八年級下流體壓強與流速關系一節(jié)書后動手動腦學物理這一板塊中有這樣一道習題：在火車站或地鐵站，離站臺邊緣一定距離的地方標有一條安全線，人必須站在安全線以外的區(qū)域候車。請分析為什么當列車駛過時，如果人站在安全線以內，即使與車輛保持一定的距離，也是非常危險的。

通過本節(jié)的學習我們知道，當人站在高速運動的火車旁時，人面對火車和背對火車這兩側的空氣壓強是不相同的，面對火車一側由于火車的運動空氣流速加快，空氣壓強減小，因此在人的兩側出現(xiàn)了壓強差的現(xiàn)象，背對火車一側壓強大，人距離火車越近，由于流速不均產生的壓強差就越大，人就越容易被背對火車一側的大氣壓強“擠”向火車，發(fā)生危險。

三、用傳感器演示的流體壓強與流速關系實驗

1.設計思路：本實驗在能夠達到預期實驗現(xiàn)象的前提下加入了相對壓強傳感器來定量的研究流速與壓強的關系，如果模擬物體的直線運動需要一段很長的軌道且小車需要安裝驅動裝置，這樣需要找一個很大的空間來演示而且很難找到驅動小車的裝置，即使能夠驅動小車，小車與軌道也并不一定匹配，更重要的是，由于要使用傳感器測量小車周圍的大氣壓強，就需要足夠多的數(shù)據(jù)點來支持，如果小車快速通過傳感器，傳感器能檢測到數(shù)據(jù)的時間間隔非常短，不便于連續(xù)測量數(shù)據(jù)。因此，我們把物體的直線運動改為圓周運動，用改變電源電壓控制轉盤轉速的方式來改變物體的運動速度，在轉盤上粘接若干一定面積的有機玻璃板可以使轉盤在轉動過程中產生較大的風力，根據(jù)流體力學的相關知識①，為使轉盤周圍風速最大，應控制有機玻璃板粘接的角度，使轉盤附近的風向沿半徑方向，用傳感器測出轉盤附近的氣體壓強和轉盤的轉速隨時間的變化關系曲線，這樣可以連續(xù)測量，得到兩條較為明顯的曲線。

2.特點及用途：本實驗教具用于定量探究流體壓強與流速之間的關系，用轉動轉盤的形式模擬物體運動，用相對壓強傳感器進行定量探究，使物體運動的空間大大縮小，而且使實驗現(xiàn)象更為科學，說服力更強。

3.制作材料：有機玻璃、黃銅棒、圓鋼、硬質塑料板、尼龍板

4.制作方法：（1）將一塊有機玻璃板用激光切成一個直徑為400mm的轉盤，在轉盤中心打一個10mm的圓孔；（2）將圓盤12等分，在每一個等分點上粘一塊有機玻璃片，使每一個有機玻璃片的方向與半徑方向成20度角，在其中一個有機玻璃片上粘一個擋光片；（3）用有機玻璃制作一個支架，在支架的上部打φ22的孔以便安裝軸承，并將支架與塑料底板固定；（4）用圓鋼加工一個φ10的軸，用黃銅棒加工成兩個卡蘭盤，用卡蘭盤固定轉盤與10mm軸；（5）用尼龍板做一個電機的支架，將支架固定在塑料底板上，將電機固定在支架上，并與鋼軸銷連接。（6）將一塊有機玻璃板固定在塑料底板上，將開關、電位器固定在有機玻璃板上，并將它們與電機和電源相連接；（7）將光電門、相對壓強傳感器、裝有輕質小球的有機玻璃管固定在塑料底板上，使三者均可調節(jié)；（8）將四個地腳螺絲固定在硬質塑料底板上，將水平儀固定于硬質塑料底板的一側，用于調節(jié)底座的平面水平。

5.實驗步驟：（1）將裝有輕質小球的有機玻璃管靠近轉盤（注意轉盤運動起來時不要碰到玻璃管），讓小球位于有機玻璃管中間位置，調節(jié)相對壓強傳感器和光電門的位置，然后將它們分別與電腦連接；（2）閉合開關，調節(jié)輸出電壓，使輸出電壓從零開始一點點增加，當轉盤的轉速增加到一定值時，輕質小球開始被吸向轉盤，然后斷開開關，轉盤停止轉動；（3）將有機玻璃管遠離轉盤，小球仍置于有機玻璃管的中間位置，調節(jié)電源輸出電壓從零開始一點點增加，并觀察小球的運動情況；（4）啟動PASCO軟件，仍使輸出電壓從零開始一點點變大，當電壓增大到最大值時使其慢慢減小，觀察計算機采集到的氣壓隨時間變化曲線和轉盤轉速隨時間變化曲線；（5）將相對壓強傳感器置于距離轉盤較遠處，調節(jié)電源輸出電壓為最大值，觀察氣壓隨時間變化曲線和轉盤轉速隨時間變化曲線。

6.實驗現(xiàn)象及分析：通過觀察管內小球運動情況，可以發(fā)現(xiàn)，小球置于距轉盤較近處，當轉盤以最大速度轉動時，小球向轉盤方向運動，就好像被轉盤“吸”了過去；而增大小球與轉盤之間的距離，轉盤仍以最大速度轉動時，小球沒有在管內發(fā)生移動，說明靠近轉盤一側，空氣流速大，壓強小。用傳感器定量測量大氣壓強與轉盤轉速的關系，先將相對壓強傳感器置于轉盤旁一固定位置，用PASCO軟件繪制出了傳感器處的空氣相對壓強隨時間的變化關系以及轉盤轉速隨時間的變化關系圖線，當轉盤未發(fā)生轉動時，傳感器處的空氣壓強幾乎不發(fā)生變化，當轉盤轉動起來時，此處的流體壓強隨轉盤轉速的增大而減小，即隨流速的增大而減小；而當轉盤逐漸停止轉動時，又隨流速的減小而增大。接下來增大相對壓強傳感器距轉盤的距離，并將傳感器固定，保持轉盤轉速與前面實驗相同，仍然繪制傳感器處的空氣相對壓強隨時間的變化關系以及轉盤轉速隨時間的變化關系圖線，和第一次實驗的對比中可以看出，維持轉盤轉速一定時，距離轉盤越近的地方，空氣流速越快，壓強越小。