一種能演示流體壓強與流速關系的教具設計與研究

張潛

研究動機

初中物理教材中有關于流體壓強與流速關系的知識，長期以來教師都是通過在兩張紙之間吹氣使兩張紙靠攏的方法簡單演示這一現象。教材上采用的方案是讓水流經不同直徑的水管，在水管上方連接豎直的透明水管，用水管上方液柱的高度演示液體流速與壓強大小的關系，但這一方法要用大量的水，且結構復雜，對容器密封要求嚴格，使用不便。我發現沒有能嚴謹、直觀演示伯努利原理的演示器，于是就設計并制作了本作品。

研究過程

變量唯一的演示教具方案（第1代）

第1代演示器由水槽、示壓水管、方喇叭狀風道、強力風機4部分組成（見圖1）。風道右側開口小，橫截面為3cmx3cm的正方形，左側開口大，橫截面為8cmx8cm的正方形。在風道底板中線上裝入4根透明亞克力管作為示壓管，示壓管高度30cm，直徑0.5cm。示壓管的底部插入水中，為防止氣流灌入示壓管，將示壓管的迎風面做得稍高一點。風道的右側裝有風機為裝置提供氣流。

經過實驗發現本作品最右側的水柱上升最高，在最大風力下可形成約25cm高的水柱，但左側水管中的水柱高度只有1～2cm，后排的學生幾乎無法觀察到。主要原因是左側開口面積太大導致流速下降過快；其次是水柱過細，學生不容易觀察到。

改進型——調整風道開口大小和示壓管內徑（第2代）

根據第1代作品暴露出的問題進行改進。一是將右側開口縮小成截面為1.8cmx1.8cm的正方形，右側橫截面的縮小使流速更大，產生的負壓能吸起更高的水柱；左側開口截面改為2cmx8cm的長方形，減小左右兩側的橫截面積比值可以讓空氣流速變化減小，解決右側水柱液面低、不易觀察的問題。二是將示壓管的直徑改為1cm，使學生更容易觀察到水柱。

對示壓管的再次改進與調整（第3代和第4代）

經多次實驗發現風機產生的負壓能將水柱最高吸起約35cm左右，因此將示壓管加長到了40cm，同時將示壓管內徑增加到2.5cm以便觀察，將示壓管數量增加到6根，有更多采樣點，更容易得出結論。為了使水柱更明顯，在每根示壓管底部安放1顆綠色LED燈作染色燈，同時在示壓管背部設置黑色擋光板，可有效地降低環境光的影響（見圖2）。

又經過多次實驗再次調整了示壓管的數量和直徑，并將LED燈改為放在水槽底板下的激光頭，既避免了染色燈干擾視線又解決了防水問題。在教師準備了染料（如紅墨水）的情況下，關閉激光燈，用染色水柱顯示壓強差，效果更好，（見圖3）。

將風道梯形面豎立起來并采用連通器做示壓管（第5代）

在第4代演示器的基礎上繼續對作品進行改進。首先將風道的梯形截面豎直安裝，使學生可以觀察到風道的橫截面逐漸變大。其次將水槽和示壓管連為一體，做成示壓連通器。另外給風機加裝可控硅調速器調節的功率。

最終第5代作品由演示箱和風機2部分組成（見圖4）。演示箱用透明材料制成，分為示壓連通器和喇叭風道2部分。示壓連通器長36cm、寬2.6cm、高40cm內部縱向鋪設23塊隔板將其均分為24個小水槽，水槽底部互相連通，頂部與風道相連，風道右側橫截面較小，往左逐漸變大。風機功率可調，為裝置提供快速的氣流。

風機產生的氣流流經風道時隨著橫截面的增加風速逐漸降低，壓強逐漸變大，連通器內各水槽的液面依次降低。改變風機功率，風速越大時小水槽內產生的液面差越大，風機最大功率時左右兩端的液面差可達35cm左右，效果十分明顯。第5代產品內染色水不易損耗，準備一次可以使用較長時間，所以取消了染色燈。

創新點

◇流體選擇合理。采用高風壓可調速風機產生的快速氣流作為流體，流速快且可調整，比使用水作流體更方便。

◇變量唯一、形象直觀。本演示器風道內的空氣流速是影響連通器內各水槽液面高度的唯一變量，學生很容易從水柱的高度判斷出風道內各處的壓強大小。

◇采樣點多、效果明顯、易于觀察。示壓水柱數量24個，每個示壓水柱寬1.3cm，水柱之間的高度差最高可達35cm左右，可以讓全班學生清楚地觀察到實驗現象。

◇零部件少、準備工作量小、維護工作少。本演示器風道與示壓連通器一體成型，便于運輸和攜帶。首次使用時只需在連通器水槽內加入約500 mL染色水并將其與風機連接，后續使用只需通電打開風機即可。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目原理科學、概念清晰、構思巧妙、設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。希望該項目在教學設計方面做出改進和提升。