师:各位同学好,经过前面的学习,我们已经体会到物理是一门非常有用且有趣的学科,与生活密切相关。今天我们学习的主题是“流体压强与流速的关系”,课题是“飞机为什么能上天”。难道流体压强与飞机上天有着密不可分的联系吗?在日常生活中,同学们有没有乘坐飞机的经历?有没有好奇几十吨重的大家伙为什么能在天空中翱翔呢?或者有没有观察到火车站的黄色警戒线?在站台上为什么要设置黄色警戒线呢?今天我们就来了解一下这些生活情境与流体压强的关系。
为了让大家更好地体会流体的独特魅力,先看我做一个演示试验。我准备了一个乒乓球和一个漏斗。把乒乓球托着放在漏斗的喇叭口处,松手后,乒乓球立刻掉了下来。那么如果对着漏斗的细管向下吹气,会出现什么神奇现象呢?大家细心观察一下,我们再来看一遍。
生:哇,乒乓球没有被气流吹走,反而被吸了上来!
师:没错,这就是流体的独特魅力。那么接下来我们先熟悉一下什么是流体。上学期我们学过,物质在自然状态下分为液态、气态和固态。液态和气态没有固定形状,流动性较好,所以我们把这两种状态称为流体。我们都知道液体内部处处存在压强,也了解了大气压强的有关生活现象,这都是流体在静止时的压强特点。那么流体在流动过程中,压强会有什么变化呢?下面我们通过4个生活小实验来探究一下。
首先,双手拿着小纸条,靠近嘴唇边用力吹气,请同学们跟着老师一起做,观察实验现象。是不是纸条被吹得飘起来了?
生:是的,纸条飘起来了!
师:好,我们再来进行第二个实验。用力向两张平行悬挂的纸吹气。请同学们跟我一起探究。拿着两张平行悬挂的纸条,用嘴向两张纸的中间吹气,大家想一想,两张纸很可能被吹气流吹开,真的会吹开吗?我们一起观察一下。
生:咦,并没有吹开两张纸,反而略微靠近了。
师:有可能我们力气不够,接下来加大吹气力度,看能否把两张纸吹散开。
生:哇,随着力度加大,两张纸靠得更近了!
师:这是为什么呢?我们来对这两个试验进行简单分析。首先分析试验一,吹气时纸条向上飘起,说明纸条上表面向下的压强较小,下表面向上的压强较大。而上表面压强变小是因为我们在纸条上方吹气了。是不是流速快的地方压强较小呢?我们紧接着分析试验二,两张纸相互靠近,两张纸中间空气流动速度比较快。两张纸相互靠近表明两张纸中间空气压强较小,而两侧空气压强较大。因此进一步说明,流体在流动时,流速大的地方压强较小。当然,两个小试验得出的结论说服力不够。为了更直观地感受空气流动,我们用吸管向两支点燃蜡烛中间吹气,观察实验现象;还用注射器向两个乒乓球中间喷水,同学们观察实验现象,并通过现象思考得出结论。请看我的演示视频。我们使用的器材有两个乒乓球、装有红墨水的大注射器和一个水槽。把两个乒乓球轻轻放在水槽中,让它们保持一定间距。将注射器的针头放在两个乒乓球中间,轻轻推动活塞。同学们观察实验现象。
生:两个小球相互靠近了!
师:我们再来看一遍,轻轻推动活塞,两个小球相互靠近。我们使用的另一组器材有两支蜡烛、长导管、火机。我们现在把两支蜡烛点燃,让两支蜡烛保持一定间距。紧接着拿着长导管在两个蜡烛火焰中间用力吹气,观察实验现象。
生:两支蜡烛相互靠近了!
师:通过以上四个试验,我们可以初步得出结论:流体流动时,流速大的地方压强小,流速小的地方压强大。在知道流体压强与流速的关系基础上,请同学们带着以下两个问题,思考书本上“观察与思考”的内容。图中a的口径比较大,b的口径比较细。如果把水槽的出水口k堵住,根据连通器原理,A、B两个液面会是什么样的呢?
生:根据连通器原理,同种液体静止时,A、B两个液面应该相平。
师:非常好,这对大家来说不难。那么当把水槽中的出水口k打开后,A、B两个液面会有什么变化呢?我们先来看一下演示视频,观察实验现象。
水、空气等都有流动性,物理学中把具有流动性的液体和气体统称为流体。当流体流动时,它的压强跟流速有怎样的关系呢?我们来看一个实验,a、b是两个内径相同的玻璃管,上端开口,下端由粗细不同的管道连通。用夹子将橡胶管夹紧,往左侧容器中倒入一定量滴加了红墨水的水。
生:当水不流动时,a、b管内液面保持相平。
师:松开夹子,水从橡胶管中流出。观察玻璃管a、b内液面的高度。
生:在液面下降过程中,a管内的液柱高,b管内的液柱低。
师:这说明c点的液体压强大,d点的液体压强小。根据公式“流量等于流速乘横截面积”可知,当流量相同时,流速与横截面积成反比,因此c点水的流速小,d点水的流速大。进而我们可以总结出在流体中流速大的位置压强小,流速小的位置压强大。
从视频中我们可以发现,当出水口k打开之后,随着水的流动,b处液面下降得更快,而b处的管径比较细,相同时间内流过相同体积的水,b处的流速更大。我们知道流体流速大的地方压强小,因此b处液面下降得较快,也就不难理解了。那么同学能利用刚学的流体压强与流速的关系,解决以下几个生活小问题吗?君子动口不动手,现在只允许动嘴思考,想一下如何才能实现。
