馮偉東

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗在物理教學(xué)中的重要性不言而喻。在初中物理實驗教學(xué)中，師生會遇到一些難以用眼睛直接觀察感知的實驗現(xiàn)象，如部分密度、流體實驗，只能通過轉(zhuǎn)換法或最終實驗結(jié)果對實驗過程的現(xiàn)象進(jìn)行推理。教師將紋影技術(shù)用于初中物理教學(xué)可以讓學(xué)生更直觀地觀察物理現(xiàn)象，更好地理解相關(guān)的物理原理。下面就紋影技術(shù)原理、紋影實驗裝置的組建與操作及其在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用作具體介紹。

一、紋影技術(shù)及其原理

紋影技術(shù)是利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度的原理，將流場中密度梯度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗浧矫嫔舷鄬鈴?qiáng)的變化，使可壓縮流場中的激波、壓縮波等密度變化劇烈的區(qū)域成為可觀察、可分辨的圖像，從而記錄下來^[1]。

紋影技術(shù)具有結(jié)果簡單、成像效果好、精度高等優(yōu)勢，將人眼不可見的流體密度變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信息記錄下來，使觀測更為直接^[2]。

紋影技術(shù)作為有別于常規(guī)的觀測方法，在流體力學(xué)實驗中有廣泛應(yīng)用，可用于觀測燃燒、激波、氣體內(nèi)冷熱對流以及風(fēng)洞或水洞流場^[3]。

紋影技術(shù)原理可簡單表述為：利用氣流對光波的擾動，將不可被肉眼看見的氣流流動轉(zhuǎn)換成可以被看見的圖像。

教師在初中物理教學(xué)中應(yīng)用紋影技術(shù)演示實驗，有利于學(xué)生理解相關(guān)的物理原理。

二、紋影實驗裝置的組建與操作

器材：智能手機(jī)及手機(jī)支架、凹面鏡（口徑203 mm，焦距800 mm）、多用載物臺，多媒體平臺。

組裝步驟如下：

第一步，將凹面鏡固定在載物臺上（如圖1）。

第二步，將智能手機(jī)的閃光燈調(diào)成常亮（就是一直開著），用黑色的膠布將閃光燈全部粘住（不漏任何的光），用牙簽戳個小孔（注意：孔一定要小，漏一點光源就可以）。

第三步，將智能手機(jī)固定在可以移動的手機(jī)支架上，將智能手機(jī)連同手機(jī)支架一起放在離凹面鏡約150 cm的地方（如圖2）。

第四步，首先用一張白紙找到聚光點（白紙上出現(xiàn)的最小光斑），調(diào)節(jié)平臺及智能手機(jī)的位置，使得聚光點正好落在負(fù)責(zé)錄像的鏡頭上，然后調(diào)節(jié)手機(jī)鏡頭的焦距使得成像畫面充滿屏幕，最后慢慢前后微調(diào)智能手機(jī)，確定紋影成像最佳位置（如圖3）。

第五步，將手機(jī)信號投屏在多媒體平臺上進(jìn)行展示（如圖4）。

教師只要在凹面鏡前光線經(jīng)過的路徑上制造氣流的擾動，其現(xiàn)象便可以在光屏上呈現(xiàn)出來。筆者對該裝置進(jìn)行了測試，在凹面鏡前用嘴巴呼出氣流制造空氣的擾動，從手機(jī)屏幕顯示的效果可以看出該套裝置能靈敏捕捉到空氣擾動的現(xiàn)象。用這樣的紋影實驗裝置教學(xué)，取材容易，操作簡便，實驗演示效果明顯。

三、紋影技術(shù)在實驗中的應(yīng)用

組裝好紋影技術(shù)裝置以后，教師就可以將其應(yīng)用在物理教學(xué)中，直觀演示相關(guān)物理實驗。對初中物理實驗教學(xué)而言，該裝置主要用于密度和流體這兩部分的教學(xué)。下面就具體介紹紋影技術(shù)在初中物理實驗中的應(yīng)用實例及其與傳統(tǒng)實驗手段演示效果的比較情況。

（一）紋影技術(shù)在密度教學(xué)中的應(yīng)用

1.“密度與溫度”中的小風(fēng)車實驗

人教版物理教材八年級上冊第六章第五節(jié)為“密度與社會生活”，其中“密度與溫度”欄目要求師生做小風(fēng)車實驗——將小風(fēng)車放到火焰上方，學(xué)生就能看到小風(fēng)車轉(zhuǎn)動起來了（如圖5）。

筆者利用紋影技術(shù)做實驗，讓學(xué)生不僅可以看到火焰上方小風(fēng)車轉(zhuǎn)動，而且可以在屏幕上直觀地看到火焰上方的空氣不斷往上流動，推動風(fēng)車轉(zhuǎn)動（如圖6、圖7）。

筆者利用紋影技術(shù)直觀演示后，學(xué)生直接“看出”風(fēng)車轉(zhuǎn)動的原因：火焰使得周圍空氣的溫度上升，附近空氣的體積膨脹，密度變小，熱空氣上升形成氣流，當(dāng)氣流流過小風(fēng)車扇葉就會帶動扇葉轉(zhuǎn)動。學(xué)生由此明確：空氣溫度升高，它的密度就變小，密度變小的空氣會往上流動。

2.用二氧化碳?xì)怏w澆滅蠟燭的實驗

教師通過利用二氧化碳?xì)怏w澆滅蠟燭的演示實驗，讓學(xué)生更加直觀地了解氣體的密度及其流動特點。教師直接演示實驗的情況下，學(xué)生只能看到將杯子里的二氧化碳?xì)怏w倒向火焰，火焰就會熄滅。

筆者利用紋影技術(shù)就能將“隱形”的二氧化碳?xì)怏w的流動情況呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生直接看到二氧化碳?xì)怏w從容器流出的下沉圖像和二氧化碳?xì)怏w裝滿杯子后往外溢出的圖像。

學(xué)生將裝滿二氧化碳的杯子倒向火焰時，會看到二氧化碳往下流出沖向火焰，隔絕了火焰周圍的氧氣，導(dǎo)致火焰熄滅。同時，學(xué)生在實驗時還觀察到火焰上方的熱空氣緩緩向上飄動的情況（如圖8）。

通過上面的實驗，學(xué)生可以清楚地知道，密度大的二氧化碳?xì)怏w在密度比它小的空氣中是往下流動的，由此掌握了密度不同氣體的流動規(guī)律。

（二）紋影技術(shù)在流體壓強(qiáng)教學(xué)中的應(yīng)用

教師利用紋影技術(shù)還可以讓學(xué)生直觀地觀察流體的流動情況。在人教版物理教材八年級下冊第九章第四節(jié)“流體與流速”中，編排了“機(jī)翼模型的吹氣實驗”，原來實驗演示時學(xué)生只能觀察到在用風(fēng)筒往正放的飛機(jī)機(jī)翼模型吹風(fēng)的時候，飛機(jī)機(jī)翼模型會往上飄，但飛機(jī)機(jī)翼模型上、下方的氣流流動情況是看不到的。筆者利用紋影技術(shù)進(jìn)行實驗演示，就可以直觀地在屏幕上呈現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼模型上、下方的氣流流動情況（如圖9）。如果結(jié)合高速攝影的拍攝，還可以對比飛機(jī)機(jī)翼模型上、下方的氣流流動速度。

綜上所述，教師利用信息技術(shù)創(chuàng)新初中物理實驗教學(xué)，可讓學(xué)生更直觀地觀察物理現(xiàn)象，對教學(xué)內(nèi)容獲得直觀感性的認(rèn)知。紋影技術(shù)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用，不僅能夠提高實驗的可見度，增強(qiáng)實驗的直觀性，而且能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有利于學(xué)生深入理解知識。

注：本文系人民教育出版社課程教材研究所2021年立項課題“義務(wù)教育教科書物理實驗優(yōu)化研究”（課題批準(zhǔn)號：KC2021-008、KC2021-010）項目研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李桂春.風(fēng)洞試驗光學(xué)測量方法[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2008.

[2] Settles G S.紋影與陰影技術(shù)：透明介質(zhì)中的可視化紋影與陰影技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2018.

[3] 尹協(xié)振，續(xù)伯欽，張寒虹.力學(xué)實驗[M].北京：高等教育出版社，2012.

（作者系廣東省廣州市白云區(qū)黃石學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志

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