一种能演示流体压强与流速关系的教具设计与研究

张潜

研究动机

初中物理教材中有关于流体压强与流速关系的知识，长期以来教师都是通过在两张纸之间吹气使两张纸靠拢的方法简单演示这一现象。教材上采用的方案是让水流经不同直径的水管，在水管上方连接竖直的透明水管，用水管上方液柱的高度演示液体流速与压强大小的关系，但这一方法要用大量的水，且结构复杂，对容器密封要求严格，使用不便。我发现没有能严谨、直观演示伯努利原理的演示器，于是就设计并制作了本作品。

研究过程

变量唯一的演示教具方案（第1代）

第1代演示器由水槽、示压水管、方喇叭状风道、强力风机4部分组成（见图1）。风道右侧开口小，横截面为3cmx3cm的正方形，左侧开口大，横截面为8cmx8cm的正方形。在风道底板中线上装入4根透明亚克力管作为示压管，示压管高度30cm，直径0.5cm。示压管的底部插入水中，为防止气流灌入示压管，将示压管的迎风面做得稍高一点。风道的右侧装有风机为装置提供气流。

经过实验发现本作品最右侧的水柱上升最高，在最大风力下可形成约25cm高的水柱，但左侧水管中的水柱高度只有1～2cm，后排的学生几乎无法观察到。主要原因是左侧开口面积太大导致流速下降过快；其次是水柱过细，学生不容易观察到。

改进型——调整风道开口大小和示压管内径（第2代）

根据第1代作品暴露出的问题进行改进。一是将右侧开口缩小成截面为1.8cmx1.8cm的正方形，右侧横截面的缩小使流速更大，产生的负压能吸起更高的水柱；左侧开口截面改为2cmx8cm的长方形，减小左右两侧的横截面积比值可以让空气流速变化减小，解决右侧水柱液面低、不易观察的问题。二是将示压管的直径改为1cm，使学生更容易观察到水柱。

对示压管的再次改进与调整（第3代和第4代）

经多次实验发现风机产生的负压能将水柱最高吸起约35cm左右，因此将示压管加长到了40cm，同时将示压管内径增加到2.5cm以便观察，将示压管数量增加到6根，有更多采样点，更容易得出结论。为了使水柱更明显，在每根示压管底部安放1颗绿色LED灯作染色灯，同时在示压管背部设置黑色挡光板，可有效地降低环境光的影响（见图2）。

又经过多次实验再次调整了示压管的数量和直径，并将LED灯改为放在水槽底板下的激光头，既避免了染色灯干扰视线又解决了防水问题。在教师准备了染料（如红墨水）的情况下，关闭激光灯，用染色水柱显示压强差，效果更好，（见图3）。

将风道梯形面竖立起来并采用连通器做示压管（第5代）

在第4代演示器的基础上继续对作品进行改进。首先将风道的梯形截面竖直安装，使学生可以观察到风道的横截面逐渐变大。其次将水槽和示压管连为一体，做成示压连通器。另外给风机加装可控硅调速器调节的功率。

最终第5代作品由演示箱和风机2部分组成（见图4）。演示箱用透明材料制成，分为示压连通器和喇叭风道2部分。示压连通器长36cm、宽2.6cm、高40cm内部纵向铺设23块隔板将其均分为24个小水槽，水槽底部互相连通，顶部与风道相连，风道右侧横截面较小，往左逐渐变大。风机功率可调，为装置提供快速的气流。

风机产生的气流流经风道时随着横截面的增加风速逐渐降低，压强逐渐变大，连通器内各水槽的液面依次降低。改变风机功率，风速越大时小水槽内产生的液面差越大，风机最大功率时左右两端的液面差可达35cm左右，效果十分明显。第5代产品内染色水不易损耗，准备一次可以使用较长时间，所以取消了染色灯。

创新点

◇流体选择合理。采用高风压可调速风机产生的快速气流作为流体，流速快且可调整，比使用水作流体更方便。

◇变量唯一、形象直观。本演示器风道内的空气流速是影响连通器内各水槽液面高度的唯一变量，学生很容易从水柱的高度判断出风道内各处的压强大小。

◇采样点多、效果明显、易于观察。示压水柱数量24个，每个示压水柱宽1.3cm，水柱之间的高度差最高可达35cm左右，可以让全班学生清楚地观察到实验现象。

◇零部件少、准备工作量小、维護工作少。本演示器风道与示压连通器一体成型，便于运输和携带。首次使用时只需在连通器水槽内加入约500 mL染色水并将其与风机连接，后续使用只需通电打开风机即可。

该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目原理科学、概念清晰、构思巧妙、设计合理，作品教育性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。希望该项目在教学设计方面做出改进和提升。