对“充水玻璃管中气泡运动实验”的商榷

莫 滨

（南京市第十八中学，江苏南京210022）

1 引 言

苏科版初中物理教材的“匀速直线运动”探究活动，采用的实验是研究充水玻璃管中气泡的运动规律[1].笔者在实际教学过程中，按照教材操作，但是无法顺利体现教材的意图.发现教材存在两处值得商榷：1）教材中气泡的画法是一种理想化的情况，实验中各种情况下出现的气泡形状均与之不同.2）采用与教材类似的玻璃管进行实验，发现气泡的运动时间过短，难于测量.经分析认为，失败原因在于教材采用的玻璃管内径太大、长度太小.

2 实验器材

实验所用的玻璃管参量见表1，其中编号为C的玻璃管为苏科版教材中采用的器材.在玻璃管A，B，D外壁每隔10cm拴上棉线作为长度的区间标记.表中φ为玻璃管的内直径，l为玻璃管的长度.

表1 玻璃管参量

时间测量采用实验室的停钟，分度值0.1s.当时间间隔太小不便于测量时，可利用数码相机的摄像功能来计算时间.本文中采样频率均为30frame／s，再使用视频编辑软件回放（要求能够逐帧播放），本实验采用的是“Ulead VideoStudio”，该软件播放时自动将视频转化为25frame／s，数出需测量时间段的视频帧数n，则该段时间为

3 实验分析

3.1 对气泡形状的商榷

教材中气泡为球形，实验中发现气泡大小不同、玻璃管粗细不同、放置方式不同，在运动中呈现的形状也各不相同，但是无论如何也形成不了球形.为了验证教材的观点，采用玻璃管B和D进行实验，由于气泡处于运动中，均采用视频拍摄，然后回放截图的方式再现气泡形状.当气泡体积较小时，气泡呈椭球形，竖直方向短，水平方向长，这与现有研究成果基本相符[2].但是本实验可以进一步观察到椭球形气泡上部圆，下部扁，有点像一个正放的圆形馒头，如图1所示.当气泡体积较大时，形状犹如寺庙里面的大钟，更大一些时又有空气柱的雏形，如图2所示.倾斜放置时，气泡贴紧玻璃管上部，其形状如图3所示.

图1 竖放玻璃管中的小气泡

图2 竖放玻璃管中的大气泡

图3 斜放玻璃管中的气泡

实验中发现，气泡越小，越接近球形，这是因为气泡体积小，受液体压强作用而被压缩时，其形状相对变化小.对照教材中的插图，考虑到玻璃管壁也有一定的厚度，则气泡直径应该比较接近玻璃管内径，这时的气泡不可能呈现球形.

3.2 对测量可操作性的商榷

教材的实验原理可行，但笔者的实验却以失败告终，为了查找原因，进行了以下实验.

1）玻璃管竖直放置

采用玻璃管B，当管内小气泡上升时，速度较大，如图1所示.气泡运动时间大约4s，时间比较短.由于玻璃管B的长度只有50cm，而实验要求测量的路程就达到40cm，实验中完成翻转并且开始计时，气泡最多只允许通过10cm的路程.考虑到实际上所需测量的40cm大致取在玻璃管中间，则大约只有5cm的路程，也就是0.5s的时间，用于完成玻璃管翻转并且作好测量前的准备工作，实验中这点时间根本不够，这就是测量时实验失败的原因.计时开始后大约每隔1s就测量1次.实验室采用的停钟精度为0.1s，导致实验相对误差很大，并且由于采用人为判断气泡到达测量位置的时刻，人工测量时间的误差无法控制.

笔者改用数码相机进行视频拍摄，然后用视频编辑软件逐帧分析，实验数据如表2所示.

表2 竖放玻璃管B小气泡各区间时间视频分析数据

根据表2数据，利用Excel绘制的气泡运动的s－t图像如图4所示.

图4 竖放玻璃管B小气泡运动s－t图像

采用玻璃管D进行实验，如图1所示.由于长度有限，只能测量1个10cm区间，利用视频回放来计算时间，历时共20frame，计算可得t＝0.80s，v＝0.13m／s.根据上述2次实验推断，若采用玻璃管C，则气泡通过每个10cm区间的时间应该介于0.80～1.04s之间，准备时间大约是其一半，课堂上难于测量.

最后采用玻璃管A进行实验，如图1所示，实验数据见表3.本实验与玻璃管B相比较，由于内径较小，气泡上升过程中受到阻力相对略大，运动速度略小，时间略长，但是课堂上仍然难于测量.根据表3数据，绘制的相应的气泡运动s－t图像如图5所示，测量也比较精确.

表3 竖放玻璃管A小气泡各区间时间视频分析数据

图5 竖放玻璃管A小气泡运动s－t图像

在实验中发现，同一根玻璃管中，气泡越小，运动速度越大.如果想减小速度，可以增大气泡体积，只要没有大到成为空气柱，减速效果并不明显.

2）玻璃管倾斜放置

玻璃管B倾斜放置，与水平面倾斜角度大约5°，如图3所示.玻璃管的倾斜角度的测量，可以采用量角器测量、三角函数计算等方法.笔者将视频截图，采用图像处理软件“Photoshop”来估测.测得数据如表4所示.据此绘制的相应的气泡运动s－t图像如图6所示.

表4 斜放玻璃管B小气泡各区间时间视频分析数据

图6 斜放玻璃管B小气泡运动s－t图像

根据表4可知，此时间间隔较长，已经具备了人工测量的条件.现将该视频连续播放，根据视频动态画面用停钟进行计时.为减少累积误差，每次都从0cm处开始测量，分别测量气泡运动10，20，30，40cm所用时间，称之为分次测量法.尝试一次性完成各位置时间的测量，观察视频中气泡到达相应位置就记录一次时刻，称之为单次测量法.表4数据的测量方法，称之为视频分析法.单次测量、分次测量、视频分析这3种方法测得时间略有差异，为便于比较，各数据取相同精度，见表5.各方法计算得到相应速度见表6.分次法和单次法的s－t图像和图6几乎一致，故略.从表6可知各种方法测量结果均符合匀速直线运动规律，表明可以用作课堂实验.玻璃管B倾斜放置时，空气柱的运动速度与角度有关，调节倾斜角度可以使实验更加顺利.

表5 斜放玻璃管B小气泡不同时间测量方法比较

表6 斜放玻璃管B小气泡区间速度不同测量方法比较

3）测量空气柱的运动

进一步尝试利用空气柱进行实验.采用玻璃管B，竖直放置，如图2所示.测量数据见表7，相应的s－t图像如图7所示.

表7 竖放玻璃管B空气柱各区间时间视频分析数据

图7 竖放玻璃管B空气柱运动s－t图像

玻璃管A由于内径较小，竖直放置时，空气柱很容易在玻璃管内形成栓塞，运动过慢.这时宜改为倾斜放置，使空气柱运动变快.

4 时间的测量

实验中测量时间，宜选择气泡底部为参考，因为气泡底部的曲率小于顶部，在视觉上就是底部平整，观察起来方便.在上述实验中，当速度较小时，每帧图像中气泡运动1～2mm，速度较大时，每帧图像中气泡运动2～4mm，所以不能确保所有标记处与气泡观察位置重合时的位置恰好被拍摄下来.并且由于拍摄时相机固定，针对不同位置拍摄的角度不同，也会影响判断.造成的影响就是生成的s－t图像中，函数的表现形式为s＝vt＋s0，s0不一定为0，但是比较接近0，这与标准形式s＝vt略有差异.

5 结束语

为了能对教师有更好的指导作用，笔者认为教材宜作相应调整，首先气泡画法应作调整.如果玻璃管竖直放置，则宜选择内径为0.4～0.5 cm的玻璃管，增大玻璃管长度，可以相应增大各区间的长度.如果严格按照教材所述器材，玻璃管宜倾斜放置，插图中玻璃管画法应作调整.若采用研究空气柱运动的方法，玻璃管内径不宜过小.内径过小，空气柱速度过小，测量时间过长，不适宜课堂演示.

[1] 王瑜.义务教育课程标准教科书·物理（8年级上册）[M].2版.南京：江苏科学技术出版社，2007：117.

[2] 潘守清，欧阳俊.气泡上升运动的观察与分析[J].武汉水利电力大学学报，1993，26（4）：306－313.