流体压强与流速关系实验的创新设计

戴同兰 程志飞

摘 要：使用饮料瓶等日常用品制作教具说明流体压强与流速的关系，形象、直观，增加实验的趣味性，既能拉近物理学与日常生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性，也符合物理新课标倡导的“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”教具制作理念.

关键词：流体压强;流速;实验;创新

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0039-02

基金项目：江苏省泰州市教育科学“十三五”规划2018年度课题“核心素养视域下的初中物理系列化微课开发的研究”（项目编号：2018jksyiblx029）;

江苏省泰州市2019年度教育信息化专项课题“基于微课资源提升农村初中生物理学科素养的实践研究”（项目编号：2019jksxxh002）.

作者简介：戴同兰（1968-），女，江苏泰州人，本科，中学高级教师，研究方向：物理教育教学;

程志飞（1994-），男，江苏泰州人，本科，中学二级教师，研究方向：自制教具和物理思维的建构.

1 实验设计的背景

流体压强与流速的关系是苏科版物理教材八年级下册第十章第3节的内容.这部分内容安排在学生学习压强、液体压强和气体压强之后，气体压强这一节的一个知识点，《义务教育物理课程标准（2011年版）》对该知识点的要求是：了解流体的压强与流速的关系及其在生活中的应用，同时还安排一个例子，即课标的例6了解飞机的升力是怎样产生的？

课本中流体的概念是：液体和气体统称为流体.苏科版八下物理课本P88页在这部分内容中安排有一个活动，即活动10.8：探究流速对流体压强的影响.为了让学生理解流体的流速对流体压强的影响，在该活动中课本一共安排三个小实验，这三个小实验分别是：如图1所示，将纸条的一端按在嘴唇的下方，然后用嘴向纸条上方水平吹气，我们看到的现象是，纸条不但没有向下运动，反而会向上飘飞起来;如图2所示，向悬挂着的气球一侧沿着水平方向吹气，看到的现象是气球不但不会被吹跑，而是会向吹气的一侧偏过来;如图3所示，吹硬币的实验，在水平桌面上放一个盘子和一枚硬币（最好用以前使用的分币即1分、2分或5分的硬币），然后用嘴对着硬币上方沿着水平方向吹气，看到的现象是：硬币会被吹进盘中.

另外在教材的“生活·物理·社会”中，还向学生介绍飞机的升力从何而来？为什么飞机在空中飞行时不会掉下来？原来飞机机翼截面的形状如图4的右下角所示，当飞机在天空中飞行时，气流从飞机机翼的前缘开始分为上下两部分，由于飞机机翼的特殊形状，即上面凸下面平，使得飞机机翼的上方气流比下方气流的流速大，所以下方空气的压强大于上方空气的压强，而使飞机机翼得到向上的升力.课本书后3W的第3题是学生根据流体压强与流速的关系用吸管和瓶子自制的“口吹喷雾器”， 如图5所示， 从上方饮料吸管的一端吹气，水将从下方管的管口喷出，且呈雾状.课本书后3W的第4题，如图6所示，从倒置的漏斗口向下吹气，乒乓球不但不会掉下来，反而向漏斗颈部运动，等等一系列的实验，其实都反映气体压强与流速的关系.不知是编者的疏忽，还是有意留下让学生自己去探究的悬念，也可能是编者认为液体和气体都属于流体，所以气体的压强与流速关系同样适用于液体.因此课本上没有一处能体现液体压强与流速关系的实验.笔者认为既然是要求学生了解流体压强与流速的关系，而流体又包括液体和气体，对液体压强与流速的关系也就应该有所探究.

2 创新实验的设计

为了探究液体压强与流速的关系，本人利用一些简单易得的器材制作一套演示液体压强与流速关系的实验装置.实验效果非常明显，带给学生更大的视觉上和思维上的冲击力.

实验器材：大可乐瓶、雪碧瓶、矿泉水瓶、热熔胶、PVC管、粗细相同的吸管、水、红墨水、沙子、多种颜色的圆珠笔芯、水笔芯、剪刀、大水槽、矿泉水瓶盖子等.

该实验的关键是要能直观地反映出流体流速的大小.如圖7所示，尽管学生根据生活经验或者直接观察比较出较细的管中液体流速较大，但是利用该装置能直接从细小的各种不同颜色的小笔管的流动速度很直观地看出流体流速的大小，向装置中注入水后，各种不同颜色的小笔管运动到细管处时明显的要比粗管处流动速度快，说明细管处液体流速更快.该装置的设计目的在于用看得见的各种不同颜色的小笔管的流动速度反映不容易看见的液体流速的快慢，这是物理学上典型的转换法，由此说明水管的横截面积越小液体的流速越大，该装置可视性好，实验效果非常明显.

实验装置包括两部分，第一部分如图8所示，其作用是为了显示管道粗细对液体流速的影响.图8中的支架由矿泉水瓶的瓶盖制成，它的作用是：由于该实验材料在制作时，用到了横截面积不同的塑料瓶，为了使整个器材的中心在同一水平面，防止误认为若装置倾斜的话，是由于重力的作用使得液体的流速不同，所以在横截面积较小的饮料瓶的下方安装支架.

第二部分实验装置如图9所示，大矿泉水瓶底部的沙子起到增大矿泉水瓶的质量的作用，增大矿泉水瓶的惯性，防止大矿泉水瓶倾斜或倒下.在粗细不同的管子上用热熔胶固定粗细相同的吸管，从吸管中可以看出喷出的液柱上升的高度，液柱上升的高度越大，说明该处液体的压强越大.实验中用的是红墨水染成的红色液体，根据心理学方面的知识可知，鲜艳的色彩有助于吸引学生的注意力，这样可以将不太明显的液柱上升的高度部分显现出来，根据上面粗细相同的管中喷出水柱的高低，可以直观地反映下面管内液体的压强的大小.从图9 可以看出，最右侧的管子最粗，根据图7的现象可以知道，该管中液体的流速最小，而它上面的吸管中液柱上升得最高，说明该处的压强最大.再结合课本活动10.8，就可以很自然地得出流体压强与流速的关系是：流速越大，流体的压强越小.

3 创新点的说明

在教材“探究流速对流体压强的影响”的活动中只探究气体流速对气体压强的影响，而没有探究液体流速对液体压强影响，所以这套教具可以弥补这一实验空白，反映液体流速对液体压强的影响，使最终实验结论更具有普遍性.

如图10所示，这两个教具的组合，可以让学生直观地了解管道粗细对液体流速的影响以及液体流速对液体压强的影响.使用饮料瓶等日常用品制作教具进行物理实验，增加实验的趣味性，既能拉近物理学与日常生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性，也符合课标倡导的“利用身边的物品、器具、材料等进行物理实验，不但具有简便、直观等优点，而且有利于学生动手能力和创新意识的培养”.

参考文献：

[1]江耀基，陈艳燕.巧用创新实验撬动物理课堂的教学策略——以“流体压强与流速关系”教学为例[J].中学物理，2020，38（02）：50-53.

[2]成建群，陈冀轩，李杏莲，王卓然，林立燕.“流体压强与流速的关系”实验教学设计[J].实验教学与仪器，2019，36（05）：35-37.

[3]邢宏光，麻少妮.基于学习进阶的初中实验设计——以“流体压强与流速的关系”为例[J].中学物理，2019，37（02）：60-61.

[4]董鸿丽.探究《流体压强与流速关系》创新实验[J].湖南中学物理，2017，32（12）：45-46.

[5]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

（收稿日期：2021-06-19）