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一、流体压强与流速关系的传统实验
1.水流冲不走乒乓球:取一个玻璃漏斗,将漏斗的颈部通过胶皮管与水龙头相连。漏斗的喇叭口向下放置,将一个乒乓球置于喇叭口处,先用手按住乒乓球,然后打开水龙头,让水流向乒乓球并从喇叭口处流出,可以看到,水流并没有冲走乒乓球,乒乓球被牢牢“吸”在漏斗颈部。水流从颈部流向喇叭口时,由于横截面积增大,流速减小,流体压强增大,致使乒乓球下方的流体压强大于上方,因此乒乓球好像被拖住了。
2.吹不翻的扑克牌:取一张扑克牌,将其中间对折,使对折后的两部分间所夹角度在90°左右,将扑克牌立在桌面上,凹进去的地方朝向桌面,然后用力向折角下方的空间吹气,扑克牌并没有被吹倒。扑克牌下方的空气流速大,压强小,折角处上方的压强大于下方,扑克牌不会翻倒,但有向两边扩张的趋势。
3.自制喷雾器:取一长一短两支吸管,取一个装入适量水的烧杯,将短管插入水中,但不要没入水中,用长管对准短管的上部吹气,会发现长短管交界处被吹出了水雾。短管上方的空气流速加快,大气压强减小,水面上方的大气压强将水通过短管压至长短管交界处,由于气流的作用,水被吹成了雾状。传统实验选材简单,操作容易,现象明显,有利于激发学生的学习兴趣。但有的学生提出质疑,传统实验只是通过流体压强与流速关系得到的现象,而他们并未看到流体压强随流速的变化是否真的发生变化了,未解决这一问题,笔者认为需要设计定量实验。
二、通过一道课后习题引发的思考
人教版物理教材八年级下流体压强与流速关系一节书后动手动脑学物理这一板块中有这样一道习题:在火车站或地铁站,离站台边缘一定距离的地方标有一条安全线,人必须站在安全线以外的区域候车。请分析为什么当列车驶过时,如果人站在安全线以内,即使与车辆保持一定的距离,也是非常危险的。
通过本节的学习我们知道,当人站在高速运动的火车旁时,人面对火车和背对火车这两侧的空气压强是不相同的,面对火车一侧由于火车的运动空气流速加快,空气压强减小,因此在人的两侧出现了压强差的现象,背对火车一侧压强大,人距离火车越近,由于流速不均产生的压强差就越大,人就越容易被背对火车一侧的大气压强“挤”向火车,发生危险。
三、用传感器演示的流体压强与流速关系实验
1.设计思路:本实验在能够达到预期实验现象的前提下加入了相对压强传感器来定量的研究流速与压强的关系,如果模拟物体的直线运动需要一段很长的轨道且小车需要安装驱动装置,这样需要找一个很大的空间来演示而且很难找到驱动小车的装置,即使能够驱动小车,小车与轨道也并不一定匹配,更重要的是,由于要使用传感器测量小车周围的大气压强,就需要足够多的数据点来支持,如果小车快速通过传感器,传感器能检测到数据的时间间隔非常短,不便于连续测量数据。因此,我们把物体的直线运动改为圆周运动,用改变电源电压控制转盘转速的方式来改变物体的运动速度,在转盘上粘接若干一定面积的有机玻璃板可以使转盘在转动过程中产生较大的风力,根据流体力学的相关知识①,为使转盘周围风速最大,应控制有机玻璃板粘接的角度,使转盘附近的风向沿半径方向,用传感器测出转盘附近的气体压强和转盘的转速随时间的变化关系曲线,这样可以连续测量,得到两条较为明显的曲线。
2.特点及用途:本实验教具用于定量探究流体压强与流速之间的关系,用转动转盘的形式模拟物体运动,用相对压强传感器进行定量探究,使物体运动的空间大大缩小,而且使实验现象更为科学,说服力更强。
3.制作材料:有机玻璃、黄铜棒、圆钢、硬质塑料板、尼龙板
4.制作方法:(1)将一块有机玻璃板用激光切成一个直径为400mm的转盘,在转盘中心打一个10mm的圆孔;(2)将圆盘12等分,在每一个等分点上粘一块有机玻璃片,使每一个有机玻璃片的方向与半径方向成20度角,在其中一个有机玻璃片上粘一个挡光片;(3)用有机玻璃制作一个支架,在支架的上部打φ22的孔以便安裝轴承,并将支架与塑料底板固定;(4)用圆钢加工一个φ10的轴,用黄铜棒加工成两个卡兰盘,用卡兰盘固定转盘与10mm轴;(5)用尼龙板做一个电机的支架,将支架固定在塑料底板上,将电机固定在支架上,并与钢轴销连接。(6)将一块有机玻璃板固定在塑料底板上,将开关、电位器固定在有机玻璃板上,并将它们与电机和电源相连接;(7)将光电门、相对压强传感器、装有轻质小球的有机玻璃管固定在塑料底板上,使三者均可调节;(8)将四个地脚螺丝固定在硬质塑料底板上,将水平仪固定于硬质塑料底板的一侧,用于调节底座的平面水平。
5.实验步骤:(1)将装有轻质小球的有机玻璃管靠近转盘(注意转盘运动起来时不要碰到玻璃管),让小球位于有机玻璃管中间位置,调节相对压强传感器和光电门的位置,然后将它们分别与电脑连接;(2)闭合开关,调节输出电压,使输出电压从零开始一点点增加,当转盘的转速增加到一定值时,轻质小球开始被吸向转盘,然后断开开关,转盘停止转动;(3)将有机玻璃管远离转盘,小球仍置于有机玻璃管的中间位置,调节电源输出电压从零开始一点点增加,并观察小球的运动情况;(4)启动PASCO软件,仍使输出电压从零开始一点点变大,当电压增大到最大值时使其慢慢减小,观察计算机采集到的气压随时间变化曲线和转盘转速随时间变化曲线;(5)将相对压强传感器置于距离转盘较远处,调节电源输出电压为最大值,观察气压随时间变化曲线和转盘转速随时间变化曲线。
6.实验现象及分析:通过观察管内小球运动情况,可以发现,小球置于距转盘较近处,当转盘以最大速度转动时,小球向转盘方向运动,就好像被转盘“吸”了过去;而增大小球与转盘之间的距离,转盘仍以最大速度转动时,小球没有在管内发生移动,说明靠近转盘一侧,空气流速大,压强小。用传感器定量测量大气压强与转盘转速的关系,先将相对压强传感器置于转盘旁一固定位置,用PASCO软件绘制出了传感器处的空气相对压强随时间的变化关系以及转盘转速随时间的变化关系图线,当转盘未发生转动时,传感器处的空气压强几乎不发生变化,当转盘转动起来时,此处的流体压强随转盘转速的增大而减小,即随流速的增大而减小;而当转盘逐渐停止转动时,又随流速的减小而增大。接下来增大相对压强传感器距转盘的距离,并将传感器固定,保持转盘转速与前面实验相同,仍然绘制传感器处的空气相对压强随时间的变化关系以及转盘转速随时间的变化关系图线,和第一次实验的对比中可以看出,维持转盘转速一定时,距离转盘越近的地方,空气流速越快,压强越小。
1.水流冲不走乒乓球:取一个玻璃漏斗,将漏斗的颈部通过胶皮管与水龙头相连。漏斗的喇叭口向下放置,将一个乒乓球置于喇叭口处,先用手按住乒乓球,然后打开水龙头,让水流向乒乓球并从喇叭口处流出,可以看到,水流并没有冲走乒乓球,乒乓球被牢牢“吸”在漏斗颈部。水流从颈部流向喇叭口时,由于横截面积增大,流速减小,流体压强增大,致使乒乓球下方的流体压强大于上方,因此乒乓球好像被拖住了。
2.吹不翻的扑克牌:取一张扑克牌,将其中间对折,使对折后的两部分间所夹角度在90°左右,将扑克牌立在桌面上,凹进去的地方朝向桌面,然后用力向折角下方的空间吹气,扑克牌并没有被吹倒。扑克牌下方的空气流速大,压强小,折角处上方的压强大于下方,扑克牌不会翻倒,但有向两边扩张的趋势。
3.自制喷雾器:取一长一短两支吸管,取一个装入适量水的烧杯,将短管插入水中,但不要没入水中,用长管对准短管的上部吹气,会发现长短管交界处被吹出了水雾。短管上方的空气流速加快,大气压强减小,水面上方的大气压强将水通过短管压至长短管交界处,由于气流的作用,水被吹成了雾状。传统实验选材简单,操作容易,现象明显,有利于激发学生的学习兴趣。但有的学生提出质疑,传统实验只是通过流体压强与流速关系得到的现象,而他们并未看到流体压强随流速的变化是否真的发生变化了,未解决这一问题,笔者认为需要设计定量实验。
二、通过一道课后习题引发的思考
人教版物理教材八年级下流体压强与流速关系一节书后动手动脑学物理这一板块中有这样一道习题:在火车站或地铁站,离站台边缘一定距离的地方标有一条安全线,人必须站在安全线以外的区域候车。请分析为什么当列车驶过时,如果人站在安全线以内,即使与车辆保持一定的距离,也是非常危险的。
通过本节的学习我们知道,当人站在高速运动的火车旁时,人面对火车和背对火车这两侧的空气压强是不相同的,面对火车一侧由于火车的运动空气流速加快,空气压强减小,因此在人的两侧出现了压强差的现象,背对火车一侧压强大,人距离火车越近,由于流速不均产生的压强差就越大,人就越容易被背对火车一侧的大气压强“挤”向火车,发生危险。
三、用传感器演示的流体压强与流速关系实验
1.设计思路:本实验在能够达到预期实验现象的前提下加入了相对压强传感器来定量的研究流速与压强的关系,如果模拟物体的直线运动需要一段很长的轨道且小车需要安装驱动装置,这样需要找一个很大的空间来演示而且很难找到驱动小车的装置,即使能够驱动小车,小车与轨道也并不一定匹配,更重要的是,由于要使用传感器测量小车周围的大气压强,就需要足够多的数据点来支持,如果小车快速通过传感器,传感器能检测到数据的时间间隔非常短,不便于连续测量数据。因此,我们把物体的直线运动改为圆周运动,用改变电源电压控制转盘转速的方式来改变物体的运动速度,在转盘上粘接若干一定面积的有机玻璃板可以使转盘在转动过程中产生较大的风力,根据流体力学的相关知识①,为使转盘周围风速最大,应控制有机玻璃板粘接的角度,使转盘附近的风向沿半径方向,用传感器测出转盘附近的气体压强和转盘的转速随时间的变化关系曲线,这样可以连续测量,得到两条较为明显的曲线。
2.特点及用途:本实验教具用于定量探究流体压强与流速之间的关系,用转动转盘的形式模拟物体运动,用相对压强传感器进行定量探究,使物体运动的空间大大缩小,而且使实验现象更为科学,说服力更强。
3.制作材料:有机玻璃、黄铜棒、圆钢、硬质塑料板、尼龙板
4.制作方法:(1)将一块有机玻璃板用激光切成一个直径为400mm的转盘,在转盘中心打一个10mm的圆孔;(2)将圆盘12等分,在每一个等分点上粘一块有机玻璃片,使每一个有机玻璃片的方向与半径方向成20度角,在其中一个有机玻璃片上粘一个挡光片;(3)用有机玻璃制作一个支架,在支架的上部打φ22的孔以便安裝轴承,并将支架与塑料底板固定;(4)用圆钢加工一个φ10的轴,用黄铜棒加工成两个卡兰盘,用卡兰盘固定转盘与10mm轴;(5)用尼龙板做一个电机的支架,将支架固定在塑料底板上,将电机固定在支架上,并与钢轴销连接。(6)将一块有机玻璃板固定在塑料底板上,将开关、电位器固定在有机玻璃板上,并将它们与电机和电源相连接;(7)将光电门、相对压强传感器、装有轻质小球的有机玻璃管固定在塑料底板上,使三者均可调节;(8)将四个地脚螺丝固定在硬质塑料底板上,将水平仪固定于硬质塑料底板的一侧,用于调节底座的平面水平。
5.实验步骤:(1)将装有轻质小球的有机玻璃管靠近转盘(注意转盘运动起来时不要碰到玻璃管),让小球位于有机玻璃管中间位置,调节相对压强传感器和光电门的位置,然后将它们分别与电脑连接;(2)闭合开关,调节输出电压,使输出电压从零开始一点点增加,当转盘的转速增加到一定值时,轻质小球开始被吸向转盘,然后断开开关,转盘停止转动;(3)将有机玻璃管远离转盘,小球仍置于有机玻璃管的中间位置,调节电源输出电压从零开始一点点增加,并观察小球的运动情况;(4)启动PASCO软件,仍使输出电压从零开始一点点变大,当电压增大到最大值时使其慢慢减小,观察计算机采集到的气压随时间变化曲线和转盘转速随时间变化曲线;(5)将相对压强传感器置于距离转盘较远处,调节电源输出电压为最大值,观察气压随时间变化曲线和转盘转速随时间变化曲线。
6.实验现象及分析:通过观察管内小球运动情况,可以发现,小球置于距转盘较近处,当转盘以最大速度转动时,小球向转盘方向运动,就好像被转盘“吸”了过去;而增大小球与转盘之间的距离,转盘仍以最大速度转动时,小球没有在管内发生移动,说明靠近转盘一侧,空气流速大,压强小。用传感器定量测量大气压强与转盘转速的关系,先将相对压强传感器置于转盘旁一固定位置,用PASCO软件绘制出了传感器处的空气相对压强随时间的变化关系以及转盘转速随时间的变化关系图线,当转盘未发生转动时,传感器处的空气压强几乎不发生变化,当转盘转动起来时,此处的流体压强随转盘转速的增大而减小,即随流速的增大而减小;而当转盘逐渐停止转动时,又随流速的减小而增大。接下来增大相对压强传感器距转盘的距离,并将传感器固定,保持转盘转速与前面实验相同,仍然绘制传感器处的空气相对压强随时间的变化关系以及转盘转速随时间的变化关系图线,和第一次实验的对比中可以看出,维持转盘转速一定时,距离转盘越近的地方,空气流速越快,压强越小。