探究氣體壓強與流速關系

徐茜茜

摘 要：“氣體壓強與流速關系”的實驗改進，增加實驗的可操作性，可見性，趣味性，探究性。克服傳統實驗和教材實驗的不足，改進實驗具有推廣性，更好地發揮實驗教學促進學生科學素養形成的作用。

關鍵詞：實驗；改進；氣壓；流速

一.制定創新目標，指明思維方向

“氣體壓強與流速關系”內容選自浙教版《科學》八年級上冊第二章第三節內容“大氣壓強”的第二課時。教材不是直接呈現“氣體壓強與流速的關系”，而是通過實驗證明以促進學生的理解。學生在科學學習中，常因不能運用簡單科學知識解決實際問題，教師多采用題海戰術，學生在做題中逐漸明白原理，但不知看似合理的實驗，在操作中會出現誤差，這些誤差以及解決方案也成了中考熱門方向。科學課堂不能只注重傳授知識，更要重視啟迪學生的思維，思維能力是創新的基礎，是學生必備的核心素養之一。

該節內容是初中生學習的一個難點，教材中便于學生直觀認識的實驗不足，但八年級學生易接受直觀明顯的科學現象。為增加演示實驗的可見度和趣味性，筆者改進并設計了五個實驗，力爭帶給學生更大的思維上的沖擊力。學生在探究氣體壓強與流速關系活動過程中獲得充足體驗，內化成新知，教師引導學生從任務解決中歸納出解決問題的思維，學生創新力得以提升，這才是筆者實驗改進的重點，也是難點。

二.巧妙設計實驗，強化思維訓練

1.任務驅動，發現問題

教學開始，教師手舉兩張白紙，從中間吹氣，紙條閉合，學生就有了思維任務，學生會帶著任務去活動，在活動中發現問題、解決問題。為增強學生的思維啟迪效果，我設置遞進式提問：

①沒吹氣前，紙條內外側受到氣壓嗎？

②沒吹氣前，紙條內外側受到氣壓有什么關系？

③吹氣時，紙條向內側靠近，此時紙條內外側受到氣壓相等嗎？

④紙條內側氣壓變小還是紙條外側氣壓變小？

⑤什么原因導致紙條內側氣壓變小？

維果斯基最近發展區理論指出，問題設計與學生學情匹配程度，決定課堂教學的順暢程度，設置好過渡語言和過渡問題能最大程度地促進學生思維發展。

2.“三球共舞”實驗

我們常常看到這樣的趣味實驗，乒乓球被吹風機向上的氣流支撐，懸浮在空中。實驗原理：吹風機垂直向上吹，乒乓球所受向上氣流沖擊力和自身重力二力平衡。根據伯努利原理可，乒乓球周圍空氣流速大，氣壓小，外圍氣壓大，壓力指向中心，乒乓球不會掉下來。

筆者去掉吹風機，原有的扁形接頭，用膠槍在新接頭上安裝三根吸管。先用吹風機較小的風力吹，實驗時，會看到三只乒乓球共舞的場面。緊接著加大吹風機的風力，發現乒乓球舞動得更高了。筆者聯想到泡沫球，由于重力小，無法漂浮。在泡沫球上安裝幾個圖釘，由于圖釘的不對稱性，泡沫球能自由地旋轉了。教師設問“乒乓球為什么不會掉下來，為什么會滾動”。通過簡單對比分析，學生易得出：乒乓球運動與管口氣體流動有關的結論。“三球共舞”實驗引課更生動。

3.大小管比流速實驗

實驗教學中一個重要內容就是科學探究能力的培養，應滲透在實驗教學的設計，實施，討論等各環節，物理實驗探究可促進學生提出問題，建立猜想與假設。對于演示實驗，可滲透科學探究思想，即演示實驗探究化。

教材中“對玻璃管吹氣的實驗”，筆者認為有以下不足之處：

（1）用口接觸玻璃管較不衛生，學生不愿做實驗。

（2）液體透明，實驗現象不明顯。

（3）需較強且穩定的吹力，液體才會被液面上的大氣壓壓入玻璃管內。學生無法提供穩定、較強的氣流。

因此筆者進行如下改進，用一個風力較大的吹風機作為穩定的風源，分別吹口徑不同的塑料管，口徑大的塑料管通過的氣體流速小。塑料管的下方鉆孔，連接裝有紅墨水的U形壓強計。先用大管演示，打開吹吸機，U形管兩邊出現了高度差，說明流速越大，壓強越小。接著換用小管重復實驗，為使風量保持一致，將吹吸機原有的接管套上。U形管兩邊液面高度差更大。說明流速更大，壓強更小。

用紅墨水代替清水，用U形管顯示壓強變化，實驗效果更明顯。用吹吸機吹氣，吹氣力度和吹氣時間都易控制。通過直觀對比，學生易明白氣體壓強與流速的關系。在此探究過程中，學生受到了科學探究思維訓練，對科學探究某些環節和控制變量法有了更深的理解和掌握，有利于科學探究能力的形成。

4.泡沫塑料板模擬飛機升力

理論應用于實踐，氣體壓強與流速關系的一個重要應用就是飛機。教材中“科學、技術、社會、環境”部分中對飛機有描述。為了更貼近生活，筆者用塑料板模擬飛機，用含扁頭的吹風機模擬風源。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，演示者的手也感覺到較大升力。該實驗學生易操作，利用簡單物品進行實驗，且成功率較高，學生回家也能完成此實驗。

5.模擬飛機上下表面流速差

教材中“飛機機翼獲得升力原理圖”。飛機升力教學存在兩個問題：第一，教材僅指機翼與周圍空氣發生相對運動，人們一般感受到飛機前進，空氣是幾乎不動的，教材編寫這一關鍵問題缺少解釋，根據流動力學原理，在相同時間內，機翼上側空氣流動較長距離，上側空氣流速大于下側，上方空氣壓力小于下方，使飛機產生向上升力。靜態圖片和文字描述對學生無視覺沖擊力。

氣體流動性較強，很小的壓強差也會導致氣體迅速流動。由伯努利公式：ρgh+1/2pv2+p=常數，若在同一平面，則1/2pv2+p=常數。氣體流動性較強，很小的壓強差也會導致氣體迅速流動，微小壓強差不會引起密度明顯變化，因此可把氣體視為理想流體模型，設置曲線。曲線上的切線方向代表氣體在該時刻流動方向，密集程度代表氣體流動速度。曲線不會相交，流速越大分布越密集。筆者聯想到磁感線知識，磁場越強，磁感線越密集，氣體流速越大，氣體分布越密集，為此筆者設計“模擬飛機上下表面流速差”的實驗。

筆者借助飛機升力原理演示器，用五根棉線模擬流動的氣流，當飛機升起時，將棉線分別置于飛機的上下表面。可發現飛機上表面棉線密集，下表面棉線幾乎接近疏松平行，說明飛機上表面空氣流速大，下方空氣流速小。

6.測量飛機模型上下表面壓強

筆者用U形壓強計測量飛機模型上下表面壓強。筆者設計該實驗目標不是為了得出準確數據，而是為了比較飛機模型上下表面壓強差。經過多次實驗，發現將U形管斜放，飛機模型上下表面壓強差更大。用玻璃管口垂直風向，置于飛機模型的下表面，可見U形管兩端液面差。用玻璃管口垂直置于飛機的上表面，U形管兩端液面差更大了。說明飛機上表面壓強大于下表面壓強，進一步說明氣體壓強與流速的關系。

用壓強計直接測出飛機上下表面壓強，化抽象為具體，大大降低了學生思維上的跨度。

7.利用吸管等演示“氣體壓強與流速關系”

將探究之所得帶回家，筆者布置課后作業：學生利用吸管、飲料瓶蓋、泡沫球自制實驗器材，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，兩者夾角約90°，吹氣流速快但要平穩。學生吹吸管，泡沫球會懸空。

思維是以感知為基礎，對抽象事物的反映，課后設置有趣實驗，學生能將抽象的問題具體化。學生在認識到氣體壓強與流速關系的同時，還能體會到物理實驗帶來的樂趣，并有理由相信，自己在生活中也能完成出色的物理實驗。

參考文獻：

[1]王笑.流體壓強與流速關系的實驗改進[J].物理通報.2007（3）.

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