數(shù)值模擬解決中學(xué)物理教學(xué)中的學(xué)科前沿滲透問(wèn)題
——以“飽和汽與飽和汽壓”教學(xué)為例

關(guān)善超

(蘇州市陽(yáng)山實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué)校 江蘇 蘇州 215151)

物理學(xué)作為一門(mén)對(duì)社會(huì)進(jìn)步有巨大推動(dòng)作用的學(xué)科擁有其獨(dú)特的思想和魅力.然而，近些年凡是可以自由選擇高考科目的省份里(如浙江省)，選擇物理的人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他學(xué)科，并且有逐年下降趨勢(shì).這固然和物理相對(duì)其他考試學(xué)科難度較大有關(guān)，但不可忽視的是,學(xué)生對(duì)物理的不感興趣也是一個(gè)十分重要的原因,愿意把物理學(xué)當(dāng)成其終身努力方向的學(xué)生越來(lái)越少.這和中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中枯燥的教學(xué)環(huán)節(jié)、大量的機(jī)械練習(xí)及相對(duì)脫離實(shí)際的知識(shí)應(yīng)用有很大關(guān)系.教師并沒(méi)有把物理獨(dú)特的吸引力展示給學(xué)生.學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過(guò)程中不斷得到暗示：物理很難學(xué)，科學(xué)家都是天才，物理學(xué)前沿發(fā)現(xiàn)更難，因此我不適合學(xué)物理，進(jìn)而和物理越走越遠(yuǎn)[1].

其實(shí)，讓學(xué)生感受到物理學(xué)并沒(méi)有那么“高大上”，物理學(xué)家并非想象中的“珍奇生物”，前沿發(fā)現(xiàn)也并不是遙不可及是非常重要的.這需要教師有一定的教學(xué)策略和手段.通過(guò)介紹一些前沿物理學(xué)發(fā)現(xiàn)和學(xué)生當(dāng)前學(xué)習(xí)知識(shí)之間的關(guān)系，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的探究，有助于學(xué)生了解物理學(xué)前沿，確定人生目標(biāo)，消除對(duì)物理前沿研究的誤解，讓更多的學(xué)生愿意主動(dòng)登上物理的“賊船”[2]，由于數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，很多中學(xué)物理中原本并不好做的實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)模擬進(jìn)行探究，既節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，又有很好的實(shí)驗(yàn)效果[3，4].

本文以人教版高中《物理·選修3-3》“飽和汽與飽和汽壓”為例，滲透物理學(xué)前沿發(fā)現(xiàn)“流體空化現(xiàn)象”(1)流體空化現(xiàn)象：流體內(nèi)部負(fù)壓區(qū)中，液體由于低壓汽化進(jìn)而產(chǎn)生空化泡的現(xiàn)象.空化泡在崩潰過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、發(fā)光等作用，是船舶設(shè)計(jì)、石油勘探、超聲工程的熱門(mén)研究?jī)?nèi)容.，并運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，幫助學(xué)生更清楚生動(dòng)地認(rèn)識(shí)理解這一現(xiàn)象.

1 引導(dǎo)鋪墊

高中物理教學(xué)中運(yùn)用臨界思想解題的題目非常多，如追及問(wèn)題、傳送帶劃痕問(wèn)題等.其實(shí)臨界思想的應(yīng)用遠(yuǎn)不止此，很多重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)就是基于臨界思想.

初中時(shí)我們就知道金屬的電阻會(huì)隨溫度降低而變小，那么有人就提出來(lái)，那我就一直給它降溫，它的電阻會(huì)不會(huì)變成零呢？把這個(gè)問(wèn)題研究下去的人是海克·卡末林·昂內(nèi)斯，最終他發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，并憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)還有居里溫度，大家都知道磁體溫度越高磁性就越弱，那么能不能一直升高溫度直到磁性消失呢？結(jié)果大家都知道，這個(gè)溫度被命名為居里溫度.這些物理前沿的發(fā)現(xiàn)其實(shí)都建立在我們初高中就已學(xué)過(guò)的知識(shí)上，有時(shí)候物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)就是再往前多走一步，突破臨界，就能發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的天地.今天我們學(xué)習(xí)的內(nèi)容“飽和汽與飽和汽壓”就和一個(gè)非常有趣并且與物理前沿的研究有關(guān).

2 發(fā)現(xiàn)之旅

有了之前的鋪墊，教師可以引導(dǎo)學(xué)生做以下思考：

(1)流體的流速越大壓強(qiáng)就越小.

思考：當(dāng)水的流速非常快的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

由此有些學(xué)生能結(jié)合本節(jié)課的知識(shí)推測(cè)出：水的流速越大，水的壓力越小，則水的沸點(diǎn)越低，有可能會(huì)低到在常溫下水達(dá)到沸點(diǎn)汽化的現(xiàn)象.

這種現(xiàn)象叫做流體空化現(xiàn)象，是一種物理前沿研究非常多的物理現(xiàn)象.該現(xiàn)象的出現(xiàn)是否如學(xué)生們所猜測(cè)的呢？下面可以運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.

3 數(shù)值模擬

3.1建立模型

文丘里管為常見(jiàn)的流體空化發(fā)生器之一，本文以此來(lái)對(duì)空化現(xiàn)象做簡(jiǎn)單模擬.使用Gambit建立如圖1所示模型，并劃分網(wǎng)格.

圖1 文丘里管模型

3.2 模擬設(shè)置

(1)進(jìn)入General全局設(shè)置，選擇Transient瞬態(tài)模型，環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

(2) 進(jìn)入Models模型設(shè)置，打開(kāi)Maxture混合模型，黏滯模型選擇K-epsilon模型.

(3)進(jìn)入Materials材料設(shè)置，添加水蒸氣和液態(tài)水兩種材料.

(4)進(jìn)入Phases相設(shè)置，設(shè)置液態(tài)水為主相，水蒸氣為第二相.同時(shí)在Interaction中打開(kāi)Cavitation空化模型.

基于上述關(guān)于當(dāng)前國(guó)內(nèi)圖書(shū)館與MOOC相關(guān)問(wèn)題研究的特點(diǎn)及存在問(wèn)題的分析，筆者認(rèn)為下一階段該領(lǐng)域的研究應(yīng)注意以下4個(gè)方面。

(5)進(jìn)入Boundary Conditions設(shè)置邊界條件.本文進(jìn)行了3次模擬，分別在入口施加了0.2 MPa,0.5 MPa和2 MPa的壓強(qiáng).出口設(shè)置為普通壓力出口.其他為壁面邊界.

(6)進(jìn)入Solution methods求解器設(shè)置，壓力速度耦合求解器選擇PISO.

(7)進(jìn)入Solution initialization求解初始化，選擇從全局進(jìn)行初始化.

(8)進(jìn)入Run calculation求解計(jì)算，設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 s，共計(jì)算300步，最后點(diǎn)擊Calculate計(jì)算.

3.3 結(jié)果分析

進(jìn)入后處理模塊調(diào)取所需結(jié)果的速度云圖、壓力云圖及空化云圖,如圖2、圖3和圖4所示.

圖2 0.2 MPa時(shí)的速度、壓力和空化云圖

圖3 0.5 MPa時(shí)的速度、壓力和空化云圖

圖4 2 MPa時(shí)的速度、壓力和空化云圖

分析云圖可清楚得出，當(dāng)入口壓力施加的越大時(shí)，水的流速就越大，流速越大的區(qū)域，液體的壓強(qiáng)就越小，因此在壓力云圖中出現(xiàn)了負(fù)壓(低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值)區(qū).

當(dāng)入口壓力為0.2 MPa時(shí)雖然出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，但由于壓力不夠低，并未出現(xiàn)空化現(xiàn)象.當(dāng)入口壓力為0.5 MPa時(shí)，負(fù)壓區(qū)壓力明顯更低，最終在負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)了空化現(xiàn)象.當(dāng)壓力為2 MPa時(shí)，負(fù)壓區(qū)明顯增大，最終空化區(qū)域幾乎充滿了整個(gè)文丘里管.

模擬結(jié)果表明學(xué)生們的猜想是正確的，當(dāng)流體的流速達(dá)到一定速度時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)壓足夠低時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)流體的空化現(xiàn)象.流速越大，負(fù)壓區(qū)域越廣，空化現(xiàn)象越明顯，空化現(xiàn)象具體有什么作用，學(xué)生們可以課后查閱.

4 結(jié)論

在中學(xué)物理教學(xué)中滲透學(xué)科前沿使更多的學(xué)生了解物理前沿在研究什么,這些研究能做什么.能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)探究欲望，減少對(duì)物理學(xué)習(xí)的恐懼，拉近和物理學(xué)科的關(guān)系.運(yùn)用Fluent軟件模擬流體空化過(guò)程，生動(dòng)直觀地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)流體空化和流體流速及壓強(qiáng)間的關(guān)系.完成了中學(xué)物理中較難完成的實(shí)驗(yàn)探究，拓展了學(xué)生的視野，為中學(xué)物理教學(xué)中滲透物理前沿知識(shí)時(shí)，如何做進(jìn)一步研究，避免空洞講述，提供了一種新的途徑.