流體壓強與流速關系實驗的創新設計

戴同蘭 程志飛

摘 要：使用飲料瓶等日常用品制作教具說明流體壓強與流速的關系，形象、直觀，增加實驗的趣味性，既能拉近物理學與日常生活的距離，讓學生深切地感受到科學的真實性，也符合物理新課標倡導的“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”教具制作理念.

關鍵詞：流體壓強;流速;實驗;創新

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0039-02

基金項目：江蘇省泰州市教育科學“十三五”規劃2018年度課題“核心素養視域下的初中物理系列化微課開發的研究”（項目編號：2018jksyiblx029）;

江蘇省泰州市2019年度教育信息化專項課題“基于微課資源提升農村初中生物理學科素養的實踐研究”（項目編號：2019jksxxh002）.

作者簡介：戴同蘭（1968-），女，江蘇泰州人，本科，中學高級教師，研究方向：物理教育教學;

程志飛（1994-），男，江蘇泰州人，本科，中學二級教師，研究方向：自制教具和物理思維的建構.

1 實驗設計的背景

流體壓強與流速的關系是蘇科版物理教材八年級下冊第十章第3節的內容.這部分內容安排在學生學習壓強、液體壓強和氣體壓強之后，氣體壓強這一節的一個知識點，《義務教育物理課程標準（2011年版）》對該知識點的要求是：了解流體的壓強與流速的關系及其在生活中的應用，同時還安排一個例子，即課標的例6了解飛機的升力是怎樣產生的？

課本中流體的概念是：液體和氣體統稱為流體.蘇科版八下物理課本P88頁在這部分內容中安排有一個活動，即活動10.8：探究流速對流體壓強的影響.為了讓學生理解流體的流速對流體壓強的影響，在該活動中課本一共安排三個小實驗，這三個小實驗分別是：如圖1所示，將紙條的一端按在嘴唇的下方，然后用嘴向紙條上方水平吹氣，我們看到的現象是，紙條不但沒有向下運動，反而會向上飄飛起來;如圖2所示，向懸掛著的氣球一側沿著水平方向吹氣，看到的現象是氣球不但不會被吹跑，而是會向吹氣的一側偏過來;如圖3所示，吹硬幣的實驗，在水平桌面上放一個盤子和一枚硬幣（最好用以前使用的分幣即1分、2分或5分的硬幣），然后用嘴對著硬幣上方沿著水平方向吹氣，看到的現象是：硬幣會被吹進盤中.

另外在教材的“生活·物理·社會”中，還向學生介紹飛機的升力從何而來？為什么飛機在空中飛行時不會掉下來？原來飛機機翼截面的形狀如圖4的右下角所示，當飛機在天空中飛行時，氣流從飛機機翼的前緣開始分為上下兩部分，由于飛機機翼的特殊形狀，即上面凸下面平，使得飛機機翼的上方氣流比下方氣流的流速大，所以下方空氣的壓強大于上方空氣的壓強，而使飛機機翼得到向上的升力.課本書后3W的第3題是學生根據流體壓強與流速的關系用吸管和瓶子自制的“口吹噴霧器”， 如圖5所示， 從上方飲料吸管的一端吹氣，水將從下方管的管口噴出，且呈霧狀.課本書后3W的第4題，如圖6所示，從倒置的漏斗口向下吹氣，乒乓球不但不會掉下來，反而向漏斗頸部運動，等等一系列的實驗，其實都反映氣體壓強與流速的關系.不知是編者的疏忽，還是有意留下讓學生自己去探究的懸念，也可能是編者認為液體和氣體都屬于流體，所以氣體的壓強與流速關系同樣適用于液體.因此課本上沒有一處能體現液體壓強與流速關系的實驗.筆者認為既然是要求學生了解流體壓強與流速的關系，而流體又包括液體和氣體，對液體壓強與流速的關系也就應該有所探究.

2 創新實驗的設計

為了探究液體壓強與流速的關系，本人利用一些簡單易得的器材制作一套演示液體壓強與流速關系的實驗裝置.實驗效果非常明顯，帶給學生更大的視覺上和思維上的沖擊力.

實驗器材：大可樂瓶、雪碧瓶、礦泉水瓶、熱熔膠、PVC管、粗細相同的吸管、水、紅墨水、沙子、多種顏色的圓珠筆芯、水筆芯、剪刀、大水槽、礦泉水瓶蓋子等.

該實驗的關鍵是要能直觀地反映出流體流速的大小.如圖7所示，盡管學生根據生活經驗或者直接觀察比較出較細的管中液體流速較大，但是利用該裝置能直接從細小的各種不同顏色的小筆管的流動速度很直觀地看出流體流速的大小，向裝置中注入水后，各種不同顏色的小筆管運動到細管處時明顯的要比粗管處流動速度快，說明細管處液體流速更快.該裝置的設計目的在于用看得見的各種不同顏色的小筆管的流動速度反映不容易看見的液體流速的快慢，這是物理學上典型的轉換法，由此說明水管的橫截面積越小液體的流速越大，該裝置可視性好，實驗效果非常明顯.

實驗裝置包括兩部分，第一部分如圖8所示，其作用是為了顯示管道粗細對液體流速的影響.圖8中的支架由礦泉水瓶的瓶蓋制成，它的作用是：由于該實驗材料在制作時，用到了橫截面積不同的塑料瓶，為了使整個器材的中心在同一水平面，防止誤認為若裝置傾斜的話，是由于重力的作用使得液體的流速不同，所以在橫截面積較小的飲料瓶的下方安裝支架.

第二部分實驗裝置如圖9所示，大礦泉水瓶底部的沙子起到增大礦泉水瓶的質量的作用，增大礦泉水瓶的慣性，防止大礦泉水瓶傾斜或倒下.在粗細不同的管子上用熱熔膠固定粗細相同的吸管，從吸管中可以看出噴出的液柱上升的高度，液柱上升的高度越大，說明該處液體的壓強越大.實驗中用的是紅墨水染成的紅色液體，根據心理學方面的知識可知，鮮艷的色彩有助于吸引學生的注意力，這樣可以將不太明顯的液柱上升的高度部分顯現出來，根據上面粗細相同的管中噴出水柱的高低，可以直觀地反映下面管內液體的壓強的大小.從圖9 可以看出，最右側的管子最粗，根據圖7的現象可以知道，該管中液體的流速最小，而它上面的吸管中液柱上升得最高，說明該處的壓強最大.再結合課本活動10.8，就可以很自然地得出流體壓強與流速的關系是：流速越大，流體的壓強越小.

3 創新點的說明

在教材“探究流速對流體壓強的影響”的活動中只探究氣體流速對氣體壓強的影響，而沒有探究液體流速對液體壓強影響，所以這套教具可以彌補這一實驗空白，反映液體流速對液體壓強的影響，使最終實驗結論更具有普遍性.

如圖10所示，這兩個教具的組合，可以讓學生直觀地了解管道粗細對液體流速的影響以及液體流速對液體壓強的影響.使用飲料瓶等日常用品制作教具進行物理實驗，增加實驗的趣味性，既能拉近物理學與日常生活的距離，讓學生深切地感受到科學的真實性，也符合課標倡導的“利用身邊的物品、器具、材料等進行物理實驗，不但具有簡便、直觀等優點，而且有利于學生動手能力和創新意識的培養”.

參考文獻：

[1]江耀基，陳艷燕.巧用創新實驗撬動物理課堂的教學策略——以“流體壓強與流速關系”教學為例[J].中學物理，2020，38（02）：50-53.

[2]成建群，陳冀軒，李杏蓮，王卓然，林立燕.“流體壓強與流速的關系”實驗教學設計[J].實驗教學與儀器，2019，36（05）：35-37.

[3]邢宏光，麻少妮.基于學習進階的初中實驗設計——以“流體壓強與流速的關系”為例[J].中學物理，2019，37（02）：60-61.

[4]董鴻麗.探究《流體壓強與流速關系》創新實驗[J].湖南中學物理，2017，32（12）：45-46.

[5]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

（收稿日期：2021-06-19）