利用簡易紋影裝置觀察空氣流動(dòng)

王志娟

Observation of Air Flow Using a Simple Schlieren Device

WANG Zhijuan

（Yunnan Chuxiong Development Zone Yong’an Primary School， Chuxiong Yi Autonomous Prefecture， Yunnan 675099）

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.24.044

實(shí)驗(yàn)原型及不足

筆者在執(zhí)教《熱空氣和冷空氣》一課時(shí)，發(fā)現(xiàn)如下問題：

紙蛇轉(zhuǎn)動(dòng)探究熱空氣的流向?qū)嶒?yàn)：受室內(nèi)干擾因素較多，如開窗、空調(diào)都會(huì)使紙蛇不同程度轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)紙蛇轉(zhuǎn)到一定程度，沒有熱空氣的情況下吊繩的作用也會(huì)使紙蛇轉(zhuǎn)動(dòng)；紙蛇轉(zhuǎn)動(dòng)始終是間接感知，直觀性不強(qiáng)。

冷空氣流動(dòng)方向?qū)嶒?yàn)：教材未單獨(dú)針對(duì)冷空氣流向給出具體的活動(dòng)內(nèi)容。

冷瓶、熱瓶收集煙霧探究熱、冷空氣的循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)：出于環(huán)保角度市面鮮少有濃烈煙霧的線香或蚊香，收集煙霧現(xiàn)象并不像教材那么明顯；實(shí)驗(yàn)中學(xué)生僅能看到煙霧受熱上升、遇冷下降的單次過程，對(duì)理解“空氣總是在循環(huán)運(yùn)動(dòng)的”較困難。

實(shí)驗(yàn)器材

紋影裝置：手機(jī)及手機(jī)支架、凹面鏡、升降臺(tái)。

待測(cè)對(duì)象：蠟燭、火柴、冰凍后的水。

實(shí)驗(yàn)原理及改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

本課實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)主要是利用紋影技術(shù)將不可被肉眼看見的氣流變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬瘓D像。運(yùn)用紋影技術(shù)學(xué)生能夠直觀地看到熱、冷空氣的流動(dòng)方向以及空氣是如何循環(huán)流動(dòng)的。

傳統(tǒng)紋影裝置所需的設(shè)備有：光源、聚光鏡、透鏡、刀片、成像設(shè)備，準(zhǔn)備好這些材料后還需要專業(yè)組裝、調(diào)試，非專業(yè)的人員操作起來難度較大。改進(jìn)后的紋影裝置（如圖1）只需用到手機(jī)和凹面鏡。在手機(jī)閃光燈處粘貼黑色打了小孔膠帶，打開閃光燈就能獲得點(diǎn)光源，用手機(jī)拍攝取代相機(jī)，利用凹面鏡具有聚光、反射的作用完成本課實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.實(shí)驗(yàn)原理

紋影技術(shù)是一種重要的流場(chǎng)可視化手段，其作用原理：將被測(cè)對(duì)象置于光源及光學(xué)元件構(gòu)成的平行光路中，利用氣流對(duì)光波的擾動(dòng)，將不可被肉眼看見的氣流變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员豢匆姷膱D像。利用改進(jìn)后的紋影裝置進(jìn)行教學(xué)時(shí)，學(xué)生只需調(diào)整好兩者之間的距離，然后在實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)內(nèi)也就是手機(jī)和凹面鏡之間放置待測(cè)對(duì)象，通過手機(jī)攝像便能清晰看到空氣的流動(dòng)方向；空氣受熱會(huì)向上流動(dòng)，空氣遇冷會(huì)向下流動(dòng)的；空氣總是在循環(huán)流動(dòng)，空氣的流動(dòng)形成風(fēng)。

實(shí)驗(yàn)步驟

1.情境導(dǎo)入，聚焦問題

（1）觀看風(fēng)起云涌的視頻片段，提問：這其中有哪些你想要的探究的科學(xué)問題？

（2）聚焦問題：風(fēng)是怎樣形成的，風(fēng)的形成與熱、冷空氣有什么關(guān)系？

2.探究熱空氣流動(dòng)的方向

（1）提問：如何得到熱空氣？

利用點(diǎn)燃蠟燭的方式能使周圍的空氣熱起來。

（2）討論：空氣受熱后在流動(dòng)嗎，流動(dòng)的方向是怎樣的？

（3）測(cè)試：將點(diǎn)燃的蠟燭放置在紋影實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)，從拍攝到的畫面中可以看到，空氣受熱向上流動(dòng)（如圖2）。

（4）結(jié)論：空氣受熱向上流動(dòng)。

3.探究冷空氣流動(dòng)的方向

（1）提問：怎樣使周圍的空氣溫度降低？

（2）討論：空氣遇冷后在流動(dòng)嗎，流動(dòng)的方向是怎樣的？

（3）測(cè)試：將冰棍或者是冰水放置在實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)，可以看見冷空氣向下流動(dòng)（如圖3）。

（4）結(jié)論：空氣遇冷向下流動(dòng)。

4.觀察熱、冷空氣的流動(dòng)

（1）提問：空氣受熱上升、遇冷下降，如果將二者結(jié)合起來觀察熱、冷空氣在一起時(shí)是怎樣流動(dòng)的，在測(cè)試區(qū)內(nèi)該如何放置蠟燭和冰水？

（2）現(xiàn)象：空氣受熱上升遇冷瓶下降，下降的冷空氣遇熱氣流又上升，再下降，這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程（如圖4）。

（3）總結(jié)：空氣總是在循環(huán)運(yùn)動(dòng)的，空氣的流動(dòng)形成風(fēng)。

5.拓展延伸

解釋紙蛇轉(zhuǎn)動(dòng)的奧秘、火爐和煙囪的設(shè)計(jì)原理、線香香霧的流動(dòng)方向、熱氣球和孔明燈升空的原理。

遷移運(yùn)用：暖氣片為何要安置在房間的低處、冰柜的門為什么可以長時(shí)間打開？

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

本課實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的這套紋影裝置可同時(shí)用于熱空氣流動(dòng)、冷空氣流動(dòng)、空氣循環(huán)流動(dòng)3個(gè)探究活動(dòng)，一舉多得。

1.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，運(yùn)用空氣可視化工具，有效解決了原有教材現(xiàn)象不明顯，操作煩瑣的問題。

2.實(shí)驗(yàn)建構(gòu)具有層次性，在探究熱、冷空氣流動(dòng)方向的基礎(chǔ)上，探究風(fēng)的形成原因，解釋生活現(xiàn)象，符合學(xué)生認(rèn)知水平。

3.改進(jìn)后的紋影裝置取材方便，操作簡單，現(xiàn)象明顯。