对两个有关“流体压强与流速关系”实验的探究

刘剑锋 郭云华 赖益航

(1. 赣南师范大学物电学院，江西 赣州 341000； 2. 凤岗中学，江西 赣州 341000)

“流体压强与流速关系”是与生产生活联系非常紧密的一节初中物理课,广大教师针对该内容开发了许多有趣的生活化小实验,其中有硬币跳高和纸杯跳高实验简单有趣,流传广泛,但这两个实验解释的合理性值得怀疑,下面介绍笔者对实验的探究情况．

1 对硬币跳高实验的探究

图1 硬币跳高

如图1,水平桌面边沿放一枚一角钱的硬币,在硬币前面横放一把直尺做栏杆,蹲下身,贴近硬币水平吹气,结果硬币像乒乓球一样跳起来飞过直尺．这个实验取材方便,现象有趣,还可以像打乒乓球一样由两位同桌学生进行吹硬币比赛,所以深受教师青睐,常常用于课堂的趣味导入．目前该实验的流行解释是,吹气时硬币上方的气体流速大,造成压强减小,而硬币下方的空气没有流动,压强仍保持为大气压强,于是硬币上下表面产生一个压强差,从而把硬币抬起,硬币抬起后在气流的冲击作用下向前飞过尺子．但其原因也有可能是气流进入了硬币与桌面间的空隙,从而把硬币抬起来的．到底哪个才是主要原因呢,笔者设计了几个实验进行探究．

要设计一个判决性实验并不难,只要不让吹出的气流进入硬币与桌面之间的空隙就行了．为此,笔者用喝奶茶的大吸管吹气．吹气时,吸管一端含在嘴里,另一端稍伸入到硬币上方以免气流进入硬币与桌面间的空隙,同时,为增大流速及作用面积,吸管尽量捏扁些．实验现象出人意料,硬币竟然纹丝不动,换用质量更小的铝质一角硬币,结果相同．后来,笔者还将硬币置于水平放置的铁纱窗网上后水平吹气,这样即使气体进入硬币下方,也无法形成抬起硬币的气流,结果硬币也无法跳起．这两个实验现象说明让硬币飞起的原因并不是由于压强与流速的关系,而是气流进入硬币与桌面间的空隙,把硬币顶起来了．

为了弄清吹气时由于流速的原因造成硬币上下表面的压力差大概有多大,笔者找来感量为0.1g的电子秤,将硬币水平放置在秤上,按照前面的方法用吸管吹气,结果又出人意料,电子秤的读数不但没有减小,反而增大了．面对这个反常的实验现象,笔者仔细思考后发现,关键是我们在研究中过于理想化,没有考虑到气流的扩散问题．也就是说我们虽然是水平吹出的气流,但气流离开吸管后并不能保持水平流动,而是像喇叭口一样向外扩散开来(可用烟代替空气显示这个现象),于是气流还会对硬币和电子秤产生一个向下的压力．总的来看,这个向下的压力反而大于由于流速原因产生的升力,因而造成电子秤的示数增大．那么为减小由于扩散造成的气流对硬币向下的冲击力,是否能改成用吸管斜向上吹气呢?经过笔者尝试,发现硬币仍然纹丝不动．其原因可能此时气流离硬币表面有一定距离,造成硬币上下表面流速差不够大,因此无法抬起质量较大的硬币,另外,也不可能完全避免扩散气流的影响．最后,笔者从A4纸上剪下一块与硬币同样大小的圆形薄纸片来代替硬币试试,结果薄薄的纸片终于浮了起来．看来,只要物体的质量足够小,即使没有气流进入硬币与桌面间的空隙,这个实验还是能够做成功的．

在查找流体压强与流速关系的实验资料中,笔者还发现有教师将硬币放置在一个饮料瓶盖中,然后在瓶盖上方水平吹气,硬币也能跳出．其原因显然也是因为气流进入硬币下表面将其顶起来的．

2 对纸杯跳高实验的探究

图2 纸杯跳高

纸杯跳高实验的方法如图2所示,将两纸杯叠在一起,然后在杯口水平吹气,这时内杯会跳起．该实验最早是用于大气压强实验,它的解释是有气流进入两杯间的空隙,于是空隙间的气体压强增大,把内杯给顶起来了．可随着时间的推移,该实验的解释变成了用流体压强与流速关系(伯努利原理)来解释,认为杯口的空气流速大,而两杯底间的空气可认为流速为0,因而产生一个压强差,从而把内杯给顶起来了．那么到底哪个解释更合理呢?笔者将外杯杯底剪去,重新进行实验,结果发现,内杯再也不能跳起来．由于剪去外杯底并没有影响内杯杯口和杯底下表面的空气流速,如果流体压强与流速关系解释正确的话,实验现象应该不变化,但实验现象却是内杯不跳起,因此用流体压强与流速关系来解释是错误的．

3 对人教版教材编写的建议

物理教材人教版8年级下册第9章第4节“流体压强与流速的关系”采用了硬币跳高实验作为导入实验,该书编者似乎意识到了气流可能会进入硬币与桌面之间这个问题,所以在最新版教材中做了改进,特意说明要在硬币与嘴之间放上一本厚度与硬币相当的笔记本(以防止气流进入硬币与桌面间的空隙)．那么,放上一本笔记本后真能防止气流进入空隙吗?从笔者前述的实验讨论中不难发现,如果气流不能进入硬币与桌面间的空隙,硬币不可能跳起，因此,教材改进后实验仍然存在问题．如果按笔者前述方法,用纸片代替硬币,用吸管在纸片上表面稍斜向上吹气,虽然避免了错误,但效果不够理想,趣味性不高．建议人教版教材再版时删除此实验,用其他实验代替(如从蜡烛火焰侧面用吸管吹气火焰向吹气一侧偏斜、吹纸桥实验等)．

4 从失误中寻找探究学习资源

从前述分析可知,上述两个实验用于“流体压强与流速的关系”的新课教学显然是不够恰当的,但这两个实验却是非常难得的适合各层次学生进行探究学习的优质资源．首先,这两个实验现象明显有趣,能很好地激发学生的学习兴趣和学习动机．其次,这两个实验现象提出的都是结构不良化问题,猜想丰富,具有极好的探究性,特别是硬币跳高实验,在探究过程中会不断地产生新的问题,极具挑战性．第三,探究应处在已知与未知之间，这两个实验涉及到的内容基本上是学生已经学过的内容,但其解释却又是未知的,因此较适合学生的探究认知水平．第四，对硬币跳高实验的探究可深可浅,对高中和大学生可以进行深入探究,对初学者可以探究到哪种解释正确就行了,初学者如要更深入地探究,则应补充伯努利方程知识．第五,这两个实验取材经济方便,来源于生活,任何条件的学校都可实施,不存在条件不足的问题．

我们可以在学生学完压强一章内容后,请学生在课外实验并探究，也可在复习课时专门在课堂上组织学生进行探究学习,这既能激发学生学习兴趣,培养学生的探究学习能力,也能复习巩固和活化所学物理知识．

参考文献：

1 柳利芳.使“硬币起飞”的吹气速度[J].物理教学, 2007(3):25-25.

2 赵光平, 曾平飞, 罗星凯. 真有探究发生吗——也谈试题探究点的定位[J]. 基础教育课程, 2011(4):70-73.

3 彭前程. 义务教育课程标准实验教科书物理九年级[M].北京:人民教育出版社,2006:91.

4 彭前程. 义务教育课程标准教科书物理八年级下册[M].北京:人民教育出版社,2012:44.