應用紋影技術創新初中物理教學的實踐

馮偉東

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗在物理教學中的重要性不言而喻。在初中物理實驗教學中，師生會遇到一些難以用眼睛直接觀察感知的實驗現象，如部分密度、流體實驗，只能通過轉換法或最終實驗結果對實驗過程的現象進行推理。教師將紋影技術用于初中物理教學可以讓學生更直觀地觀察物理現象，更好地理解相關的物理原理。下面就紋影技術原理、紋影實驗裝置的組建與操作及其在初中物理教學中的應用作具體介紹。

一、紋影技術及其原理

紋影技術是利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度的原理，將流場中密度梯度的變化轉變為記錄平面上相對光強的變化，使可壓縮流場中的激波、壓縮波等密度變化劇烈的區域成為可觀察、可分辨的圖像，從而記錄下來^[1]。

紋影技術具有結果簡單、成像效果好、精度高等優勢，將人眼不可見的流體密度變化轉化為光強信息記錄下來，使觀測更為直接^[2]。

紋影技術作為有別于常規的觀測方法，在流體力學實驗中有廣泛應用，可用于觀測燃燒、激波、氣體內冷熱對流以及風洞或水洞流場^[3]。

紋影技術原理可簡單表述為：利用氣流對光波的擾動，將不可被肉眼看見的氣流流動轉換成可以被看見的圖像。

教師在初中物理教學中應用紋影技術演示實驗，有利于學生理解相關的物理原理。

二、紋影實驗裝置的組建與操作

器材：智能手機及手機支架、凹面鏡（口徑203 mm，焦距800 mm）、多用載物臺，多媒體平臺。

組裝步驟如下：

第一步，將凹面鏡固定在載物臺上（如圖1）。

第二步，將智能手機的閃光燈調成常亮（就是一直開著），用黑色的膠布將閃光燈全部粘住（不漏任何的光），用牙簽戳個小孔（注意：孔一定要小，漏一點光源就可以）。

第三步，將智能手機固定在可以移動的手機支架上，將智能手機連同手機支架一起放在離凹面鏡約150 cm的地方（如圖2）。

第四步，首先用一張白紙找到聚光點（白紙上出現的最小光斑），調節平臺及智能手機的位置，使得聚光點正好落在負責錄像的鏡頭上，然后調節手機鏡頭的焦距使得成像畫面充滿屏幕，最后慢慢前后微調智能手機，確定紋影成像最佳位置（如圖3）。

第五步，將手機信號投屏在多媒體平臺上進行展示（如圖4）。

教師只要在凹面鏡前光線經過的路徑上制造氣流的擾動，其現象便可以在光屏上呈現出來。筆者對該裝置進行了測試，在凹面鏡前用嘴巴呼出氣流制造空氣的擾動，從手機屏幕顯示的效果可以看出該套裝置能靈敏捕捉到空氣擾動的現象。用這樣的紋影實驗裝置教學，取材容易，操作簡便，實驗演示效果明顯。

三、紋影技術在實驗中的應用

組裝好紋影技術裝置以后，教師就可以將其應用在物理教學中，直觀演示相關物理實驗。對初中物理實驗教學而言，該裝置主要用于密度和流體這兩部分的教學。下面就具體介紹紋影技術在初中物理實驗中的應用實例及其與傳統實驗手段演示效果的比較情況。

（一）紋影技術在密度教學中的應用

1.“密度與溫度”中的小風車實驗

人教版物理教材八年級上冊第六章第五節為“密度與社會生活”，其中“密度與溫度”欄目要求師生做小風車實驗——將小風車放到火焰上方，學生就能看到小風車轉動起來了（如圖5）。

筆者利用紋影技術做實驗，讓學生不僅可以看到火焰上方小風車轉動，而且可以在屏幕上直觀地看到火焰上方的空氣不斷往上流動，推動風車轉動（如圖6、圖7）。

筆者利用紋影技術直觀演示后，學生直接“看出”風車轉動的原因：火焰使得周圍空氣的溫度上升，附近空氣的體積膨脹，密度變小，熱空氣上升形成氣流，當氣流流過小風車扇葉就會帶動扇葉轉動。學生由此明確：空氣溫度升高，它的密度就變小，密度變小的空氣會往上流動。

2.用二氧化碳氣體澆滅蠟燭的實驗

教師通過利用二氧化碳氣體澆滅蠟燭的演示實驗，讓學生更加直觀地了解氣體的密度及其流動特點。教師直接演示實驗的情況下，學生只能看到將杯子里的二氧化碳氣體倒向火焰，火焰就會熄滅。

筆者利用紋影技術就能將“隱形”的二氧化碳氣體的流動情況呈現出來，讓學生直接看到二氧化碳氣體從容器流出的下沉圖像和二氧化碳氣體裝滿杯子后往外溢出的圖像。

學生將裝滿二氧化碳的杯子倒向火焰時，會看到二氧化碳往下流出沖向火焰，隔絕了火焰周圍的氧氣，導致火焰熄滅。同時，學生在實驗時還觀察到火焰上方的熱空氣緩緩向上飄動的情況（如圖8）。

通過上面的實驗，學生可以清楚地知道，密度大的二氧化碳氣體在密度比它小的空氣中是往下流動的，由此掌握了密度不同氣體的流動規律。

（二）紋影技術在流體壓強教學中的應用

教師利用紋影技術還可以讓學生直觀地觀察流體的流動情況。在人教版物理教材八年級下冊第九章第四節“流體與流速”中，編排了“機翼模型的吹氣實驗”，原來實驗演示時學生只能觀察到在用風筒往正放的飛機機翼模型吹風的時候，飛機機翼模型會往上飄，但飛機機翼模型上、下方的氣流流動情況是看不到的。筆者利用紋影技術進行實驗演示，就可以直觀地在屏幕上呈現飛機機翼模型上、下方的氣流流動情況（如圖9）。如果結合高速攝影的拍攝，還可以對比飛機機翼模型上、下方的氣流流動速度。

綜上所述，教師利用信息技術創新初中物理實驗教學，可讓學生更直觀地觀察物理現象，對教學內容獲得直觀感性的認知。紋影技術在初中物理教學中的應用，不僅能夠提高實驗的可見度，增強實驗的直觀性，而且能夠激發學生學習物理的興趣，有利于學生深入理解知識。

注：本文系人民教育出版社課程教材研究所2021年立項課題“義務教育教科書物理實驗優化研究”（課題批準號：KC2021-008、KC2021-010）項目研究成果。

參考文獻

[1] 李桂春.風洞試驗光學測量方法[M].北京：國防工業出版社， 2008.

[2] Settles G S.紋影與陰影技術：透明介質中的可視化紋影與陰影技術[M].北京：國防工業出版社，2018.

[3] 尹協振，續伯欽，張寒虹.力學實驗[M].北京：高等教育出版社，2012.

（作者系廣東省廣州市白云區黃石學校教師）

責任編輯：祝元志

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