演示流体压强与流速关系的实验装置
养正中学
摘 要： 利用有机玻璃管、吸管、泡沫球等简易材料自制了演示流体压强与流速关系的实验装置.该装置有效地解决了小球随意滚动、吹气方向不固定等问题.实验用泡沫球代替乒乓球,并将其放置在玻璃管中放置,使实验过程不受外界空气影响,且较轻的泡沫球更易运动,实验效果更明显.利用该原理还自制了模拟非洲草原犬鼠洞穴的演示装置,有趣且直观地演示了犬鼠洞穴中的气体流向.
关键词： 流体压强; 流速; 流向;
1 引 言
沪科版八年级物理“流体压强与流速关系”这节内容,教材中关于探究“气体压强与流速关系”所示的实验器材,在实际操作时效果并不理想.教材中所示的器材(如图1)是用吸管向放在2根筷子上的2个乒乓球中间吹气,可以观察到2个乒乓球会向中间靠拢,其目的是为了说明两球中间空气流速大压强小,而两球外侧的空气流速小压强大,即外侧与中间形成压强差,所以乒乓球被压向中间.然而实际实验时效果并不理想,存在以下几个问题:2个乒乓球放在筷子上受筷子的平整度影响不容易放平稳;即使放稳了,两球的间距也不能太大,否则实验效果不明显;吸管不固定,放置在什么位置吹气效果最好,学生难以把握;如果持续吹气,当两球将要靠拢时球会被气流吹掉,影响观察效果.总之,学生在操作该实验时要达到较好的效果需要反复多次实验.
图1 教材中的实验图
2 实验改进
针对以上不足,对实验进行了改进,如图2所示,该自制装置演示效果较好.
图2 流体压强与流速关系的实验器改进图(正面)
制作材料:外径为5cm,壁厚为0.2cm,长度为20cm的透明有机玻璃管;直径为1cm的实心有机玻璃棒;直径为1cm,长约为20cm的粗吸管;直径为0.5cm,长约20cm的细吸管;直径为4cm泡沫实心小球;有机玻璃专用胶水.
制作方法:
1)在透明有机玻璃管正中间钻透2个直径为1cm的小圆孔,以便让直径为1cm的吸管插入.
2)在玻璃管内壁距底部约1/4处粘上1根细吸管,使得泡沫球放在玻璃管内不会随意滚动.
3)如图3所示,在玻璃管外壁靠底部的中间处粘1小节玻璃柱(从直径1cm的实心有机玻璃棒上截取),使得玻璃管在水平面上不会滚动.
图3 流体压强与流速关系的实验器改进图(背面)
4)用美工刀在吸管下端削割出2个长度约4cm的长条形孔槽,当吸管从小圆孔插入玻璃管时,玻璃管中的空气通过孔槽与吸管相通.
5)如图4所示,在粗吸管上端口包一节长约1.5cm的粗吸管(从另一根吸管上截取,用剪刀剪开,包在吸管上粘牢即可),让其一半露出,使得在它上面可以另外插入一节约4cm长的粗吸管,当成活动的吹嘴,学生实验时只需更换吹嘴就可以多人多次进行实验.
图4 吸管
6)把粗吸管从玻璃管的两小圆孔插入,使粗吸管的孔槽正好留在玻璃管内即可.
7)在玻璃管两端各放入1个泡沫小球,球只要完全在管内,吹气时都能向中间靠拢.
注意:小球的直径不宜太小,球的直径截面越大受的压力差也会越大,更容易向中间靠拢.
使用方法:
把仪器放在水平桌面上,在吸管上端插入吹嘴,把泡沫小球放入玻璃管内,口含住吹嘴用力吹气,2个泡沫小球立即向中间靠拢.
仪器优点:
1)该仪器放在桌面上很平稳,小球可以平稳地放置在管内,不会随意滚动.
2)吹气用的粗吸管位置固定,吹气时气流流向固定,方便学生操作.
3)泡沫小球比乒乓球轻,更容易向中间运动.
4)小球置于玻璃管中,不会受外界空气影响,而且吹气时,玻璃管口与孔槽处形成的压强差比小球放置在筷子上形成的压强差更大,即使两球放在管口处,相距较远,依旧很容易向中间靠拢,实验效果明显.
3 拓展实验
在讲授本节课时,经常会举“非洲草原犬鼠洞穴”的例子来说明流体压强与流速关系的应用.
如图5是非洲草原犬鼠洞穴的横 截面示意图,洞穴有2个出口,一个是平的,而另一个则是隆起的土堆.2个洞口的形状不同,是为了使地面上的风吹进犬鼠的洞穴,给犬鼠带去习习凉风,形成天然的空调系统,请在图上标出洞穴中空气流动的方向.
图5 非洲草原犬鼠洞穴
学生没有见过这种洞穴,要能真正理解洞穴中空气是从A流向B,不太容易.大多数学生是根据地面上的风从左吹向右,所以判断洞内的风也是从左吹到右的.当被问到如果地面的风是从右吹向左又如何呢?洞内的风还会不会 是从A吹向B呢?学生疑惑了.再说草原上的风向是不固定的,任何方向吹来的风都会使洞内的气流是从A到B吗?此时学生的疑惑就更大了.如何让学生信服,进行实验演示,眼见为实,为此可以制作如图6所示的实验装置进行实验.
制作材料:厚约3cm的塑料泡沫板1块;外径5cm,壁厚0.2cm,透明有机玻璃管(20cm长的2根,8cm长的1根);孔径5cm的PVC直角弯头2个;直径4cm泡沫实心小球;木块;铁钉;电吹风.
制作方法:
1)将2根长20cm的透明玻璃管和长约8cm的玻璃管与PVC直角弯头连接成U形管(模拟洞穴形状);
图6 模拟非洲草原犬鼠洞穴
2)用美工刀裁割1块长方形塑料泡沫板,在它的上面开2个圆孔,盖在U形管上正好与管口紧密接合(模拟草原的地面);
3)再载取1块圆形泡沫板,削成实心穹顶(表面可以用细砂纸打磨光滑),并开与管口同大的圆孔,把穹顶盖在长方形塑料泡沫板上,让圆孔与其中一个管口对齐(模拟洞穴口隆起的土堆);
4)用木块做成底座,把U形管的底部用金属片(从易拉罐上剪下两小条即可)包住并钉牢在底座上.
使用方法:
把泡沫小球放入U形管中,电吹风放在泡沫板上方贴近板面沿水平方向朝两“洞口”吹风,无论是从左向右吹,还是从右向左吹,泡沫小球都从隆起的管口跳出,效果非常好,泡沫小球的运动轨迹直观地显示了管内气流的流向.
注意:本实验最好是用直径较大的泡沫小球,如果用很细小的泡沫球吹出后不易收集回来重复演示.
仪器优点:
该实验器材不仅有趣而且直观地将草原犬鼠洞穴内“天然的空调系统”的气流流向呈现在学生眼前,真实可信,轻易地帮助攻克教学难点.如果在引入新课时演示该实验,还能制造有力的视觉效果,引人深思,能有效地激发学生的学习兴趣.
4 结束语
总之,只要善于利用生活中取材方便的资源自制新颖、巧妙的教具,在课堂上有针对性地合理使用,更能够引发学生的学习意向和兴趣,激发学生的学习动机,可以让物理课堂教学更加有效.
作者简介：邵邦武(1976-),男,福建南平人,养正中学高级物理教师,学士,从事中学物理实验教学工作.
文章来源《物理实验》 2015,01(35),18-20
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