师:同学们好,新课之前,老师先给大家表演一个隔空取火的小魔术。三根蜡烛并排放置,我们用火柴点燃左右两侧的两根蜡烛,此时中间的蜡烛未被点燃。接着,我们用一个软管对着中间未被点燃的蜡烛吹气,大家仔细观察中间蜡烛的变化。神奇的现象发生了,中间的蜡烛竟然自动燃烧起来。我们知道,吹气通常是熄灭蜡烛的常见方式,而在这个魔术中,却用吹气的方法点燃了蜡烛。这个神奇现象背后蕴含着怎样的物理规律呢?学习了这节“流体压强与流速的关系”之后,大家就能用所学知识解释其中的奥妙。
在物理学中,我们把具有流动性的气体和液体统称为流体,它们流动时的速度称为流速。前面两节我们所学的液体内部的压强和大气压,都是流体在静止时的压强。那么,当液体和气体流动时,它们的压强又会如何变化呢?我们首先来探究流动的气体的压强与流速的关系。
这是一根两端开口的透明管道,我们将乒乓球置于其中,然后与白色竖直的管道相连。透明管道处于水平位置,乒乓球在其右端静止。通过大气压强的学习,我们知道现在乒乓球左右两侧的压强相等。同学们想一想,如果我们用吹风机对着白色管道的上方吹气,产生自上而下的气流,右端的乒乓球是仍然静止,还是会运动呢?如果运动,它又会向哪个方向运动?大家仔细观察右侧乒乓球的运动状态,现在老师开始进行演示实验。
师:这个实验现象是否与你们的猜想一致呢?我们看到乒乓球向左侧运动,这说明右侧的压力大于左侧的压力,进而表明右侧的压强大于左侧的压强,左侧的气体流动压强减小,也就意味着气体流速大的地方压强小。一组实验往往不能得出普遍规律,下面我们再通过三组对比实验来探究流动的气体压强与流速的关系。
我们用三根相同的透明管道依次与白色管道右侧相连,大家看,三个透明管道处于水平位置,右侧的乒乓球处于静止状态。如果重复刚才的实验,用吹风机从白色管道向下吹气,引起三个乒乓球左侧的气体流动。同学们想一想,三个乒乓球会同时到达左端,还是快慢不同呢?如果快慢不同,哪个球会最先到达左侧?现在老师开始进行演示实验,同学们仔细观察三个乒乓球运动状态的变化。
师:我们看到三个管道中的乒乓球都向左侧移动,但快慢不同。为了便于描述,我们将三个球分别标为1号、2号、3号,它们的右侧压强不变。我们把气体流动时左侧的压强标为P1、P2、P3 。1号球跑得最快,说明左侧的压强P1最小,该位置离出风口最近,风速最大,所以气体流速越大的位置压强越小。3号球运动得最慢,说明P3最大,所以气体流速越小的位置压强越大。
下面我们一起来探究流动的液体的压强与流速的关系。用三种规格不同的注射器连接在一起,在每个注射器的上端开有大小相同的小孔。注满水后推动活塞可以引起液体流动,我们将会看到三个小孔中喷出高度不同的水柱。因为这个现象,我们又把这个实验称为针筒喷泉实验。同学们想一想,是粗的管道喷出的液柱较高,还是细的管道喷出的液柱较高?现在老师开始进行演示实验,同学们仔细观察液柱的高低变化。
师:我们能够明显看到粗的管道喷出的液柱较高,相对较细的管道液柱喷得反而较低,这是什么原因呢?为了让大家能仔细看清液体流动过程中喷泉的过程,我们用动画来模拟一下刚才的实验过程。
推动活塞引起液体流动,三个小孔喷出高低不同的液柱。我们知道每秒钟流经管子不同截面的液体体积是相同的,所以在管道横截面积较大的位置流速较小,横截面积较小的位置流速较大。根据实验现象,结合理论分析,同学们尝试填写上面的表格。老师给大家20秒时间。
师:粗的管道液体流速较小,我们观察到喷出的液柱较高,表明该位置的压强较大。细的管道液体流速较大,喷出的液柱较低,说明该位置的压强较小。根据表格和实验现象我们可以得出,流动的液体流速越大的位置压强越小,流速越小的位置压强越大。科学家们通过大量实验分析表明,在气体和液体中,流速越大的位置压强越小。
今天学习这个理论之后,我们可以尝试用这个理论来分析生活中的一些现象。大家看这幅图片,是吹硬币比赛实验。在水平桌面上放着一枚硬币,我们沿平行桌面的方向在硬币上方吹气,能够看到硬币高高飞起。同学们思考一下,这个现象产生的原因是什么?在这里提示大家,可以按照这样的流程分析这个问题:硬币的哪个面流速发生了变化?压强如何变化?产生了怎样的压力差,使得硬币跳跃起来?下面我们来看一个视频,观察这个神奇的现象,并看这个理论分析是否与你的分析一致。
师:我们用力吹气时,硬币上面空气流速突然加大,使得硬币上面的压强变得比硬币下面的压强小。下面较大的空气压力便把硬币拖了起来,较大的压力差把硬币拖起,使硬币在空中飞了起来。受到这个实验的启发,我们想一想,如果一个物体上下两个表面始终存在较大的流速差,就能产生较大的压强差,进而产生压力差,就可以使得较大的物体飞起来。谈到能使物体飞起来,实现人类飞向蓝天的梦想,我们首先会想到在高空中飞行的飞机。下面我们来观察飞机起飞的视频,与硬币起飞的视频做对比,想一想有没有共同之处。
飞机在跑道上滑行了一段很长的距离之后腾空而起。我们知道飞机要想起飞必须满足两个条件:第一,前进;第二,上升。发动机向后喷气,产生向前的动力,这个力的方向沿着水平方向,显然不是我们需要的飞机的升力,那么飞机的升力是如何产生的呢?同学们可以观察机翼的模型,画出机翼的截面图,并尝试描述气流相对机翼运动时的路径。
飞机向前滑行,机翼将周围的空气分成上下两部分。机翼上凸下平的结构设计,会使得流经上表面气体的流速在相同时间内路程较长,流速较大,压强较小,进而产生向上的压强差和压力差。当这个压力差足够大时,就可以克服自身的重力,使得飞机飞起来。为了让大家能直观观察到飞机滑行时气流相对机翼运动时产生的压强差,老师设计了这样一个飞机升力演示模型,它由吹风机、机翼模型和微小压强计组成。我们用吹风机对着机翼模型吹气,来模拟飞机滑行时产生的相对机翼运动的气流。同学们请看,此时微小压强计左右两个液面是等高的。
大家想一想,如果用吹风机对着机翼模型吹气,会在机翼上下两方产生流速不同的气流,相对机翼运动,那么这个液面两端的高度还会相等吗?如果不等,左边的液柱会上升还是右边的液柱会上升,产生这个现象的原因是什么?同学们仔细观察液柱的变化,老师来演示这个实验。
