利用简易纹影装置观察空气流动

王志娟

Observation of Air Flow Using a Simple Schlieren Device

WANG Zhijuan

（Yunnan Chuxiong Development Zone Yong’an Primary School， Chuxiong Yi Autonomous Prefecture， Yunnan 675099）

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.24.044

实验原型及不足

笔者在执教《热空气和冷空气》一课时，发现如下问题：

纸蛇转动探究热空气的流向实验：受室內干扰因素较多，如开窗、空调都会使纸蛇不同程度转动；当纸蛇转到一定程度，没有热空气的情况下吊绳的作用也会使纸蛇转动；纸蛇转动始终是间接感知，直观性不强。

冷空气流动方向实验：教材未单独针对冷空气流向给出具体的活动内容。

冷瓶、热瓶收集烟雾探究热、冷空气的循环流动实验：出于环保角度市面鲜少有浓烈烟雾的线香或蚊香，收集烟雾现象并不像教材那么明显；实验中学生仅能看到烟雾受热上升、遇冷下降的单次过程，对理解“空气总是在循环运动的”较困难。

实验器材

纹影装置：手机及手机支架、凹面镜、升降台。

待测对象：蜡烛、火柴、冰冻后的水。

实验原理及改进

1.实验改进

本课实验教学创新点主要是利用纹影技术将不可被肉眼看见的气流变化转变为可视化图像。运用纹影技术学生能够直观地看到热、冷空气的流动方向以及空气是如何循环流动的。

传统纹影装置所需的设备有：光源、聚光镜、透镜、刀片、成像设备，准备好这些材料后还需要专业组装、调试，非专业的人员操作起来难度较大。改进后的纹影装置（如图1）只需用到手机和凹面镜。在手机闪光灯处粘贴黑色打了小孔胶带，打开闪光灯就能获得点光源，用手机拍摄取代相机，利用凹面镜具有聚光、反射的作用完成本课实验教学。

2.实验原理

纹影技术是一种重要的流场可视化手段，其作用原理：将被测对象置于光源及光学元件构成的平行光路中，利用气流对光波的扰动，将不可被肉眼看见的气流变化转变为可以被看见的图像。利用改进后的纹影装置进行教学时，学生只需调整好两者之间的距离，然后在实验测试区内也就是手机和凹面镜之间放置待测对象，通过手机摄像便能清晰看到空气的流动方向；空气受热会向上流动，空气遇冷会向下流动的；空气总是在循环流动，空气的流动形成风。

实验步骤

1.情境导入，聚焦问题

（1）观看风起云涌的视频片段，提问：这其中有哪些你想要的探究的科学问题？

（2）聚焦问题：风是怎样形成的，风的形成与热、冷空气有什么关系？

2.探究热空气流动的方向

（1）提问：如何得到热空气？

利用点燃蜡烛的方式能使周围的空气热起来。

（2）讨论：空气受热后在流动吗，流动的方向是怎样的？

（3）测试：将点燃的蜡烛放置在纹影实验测试区，从拍摄到的画面中可以看到，空气受热向上流动（如图2）。

（4）结论：空气受热向上流动。

3.探究冷空气流动的方向

（1）提问：怎样使周围的空气温度降低？

（2）讨论：空气遇冷后在流动吗，流动的方向是怎样的？

（3）测试：将冰棍或者是冰水放置在实验测试区，可以看见冷空气向下流动（如图3）。

（4）结论：空气遇冷向下流动。

4.观察热、冷空气的流动

（1）提问：空气受热上升、遇冷下降，如果将二者结合起来观察热、冷空气在一起时是怎样流动的，在测试区内该如何放置蜡烛和冰水？

（2）现象：空气受热上升遇冷瓶下降，下降的冷空气遇热气流又上升，再下降，这是一个循环往复的过程（如图4）。

（3）总结：空气总是在循环运动的，空气的流动形成风。

5.拓展延伸

解释纸蛇转动的奥秘、火炉和烟囱的设计原理、线香香雾的流动方向、热气球和孔明灯升空的原理。

迁移运用：暖气片为何要安置在房间的低处、冰柜的门为什么可以长时间打开？

实验优点

本课实验教学采用的这套纹影装置可同时用于热空气流动、冷空气流动、空气循环流动3个探究活动，一举多得。

1.创新实验教学模式，运用空气可视化工具，有效解决了原有教材现象不明显，操作烦琐的问题。

2.实验建构具有层次性，在探究热、冷空气流动方向的基础上，探究风的形成原因，解释生活现象，符合学生认知水平。

3.改进后的纹影装置取材方便，操作简单，现象明显。