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      應(yīng)用紋影成像 突破教學(xué)困惑

      2023-07-06 17:38:08張振輝羅承汛鐘儀皮飛鵬
      物理教學(xué)探討 2023年6期
      關(guān)鍵詞:可視化

      張振輝 羅承汛 鐘儀 皮飛鵬

      摘? ?要:初中生處于具體思維向形象思維過渡的階段,可視化作為培養(yǎng)學(xué)生形象思維的重要方法逐漸受到重視。針對目前“探究流體壓強與流速的關(guān)系”實驗中氣體的流動難以直接觀察的不足,創(chuàng)新性地采用紋影成像實現(xiàn)了氣體流動現(xiàn)象的可視化,以期為實驗教學(xué)提供新思路,從而調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性,幫助學(xué)生更有效地經(jīng)歷科學(xué)探究過程。

      關(guān)鍵詞:紋影成像;可視化;氣體壓強與流速的關(guān)系

      中圖分類號:G633.7 文獻標(biāo)識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2023)6-0049-4

      《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》要求學(xué)生在學(xué)習(xí)“流體壓強與流速的關(guān)系”時,知道大氣壓強及其與人類生活的關(guān)系,了解流體壓強與流速的關(guān)系及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用[1]。教師在教授此章節(jié)時,常用簡便的演示實驗引導(dǎo)學(xué)生探究流體壓強與流速的關(guān)系,改進的實驗還包括 “電吹風(fēng)吹球”“漏斗吹球”“不等高水柱”“被風(fēng)吸引的小球”等[2-3]。此類實驗用手觸摸氣流來感受流速變化,簡單地認為吹氣位置氣體流速較大,學(xué)生并未真正觀察到氣體流動。

      根據(jù)認知發(fā)展階段理論,大部分初中學(xué)生的思維發(fā)展處在從具體運算階段向形式運算階段發(fā)展的過程,他們的思維運演離不開具體事物的支持,習(xí)慣依靠經(jīng)驗材料判斷和分析事物[4]。因此,在初中物理教學(xué)過程中必須給學(xué)生提供足夠的感性材料,以此加深物理現(xiàn)象和規(guī)律的聯(lián)系。

      本研究將“紋影成像”技術(shù)應(yīng)用到初中物理實驗中,讓空氣流動可視化,使學(xué)生可以清晰地觀察到實驗現(xiàn)象,在提高學(xué)習(xí)積極性的同時,經(jīng)歷科學(xué)探究得出物理規(guī)律。

      1? ? 紋影成像原理簡介

      1.1? ? 紋影成像

      紋影法又稱紋影術(shù),是一種非接觸式的流場可視化手段,其基本原理是光在被測流場中的折射率正比于流場的氣流密度,即Gladstone-Dale關(guān)系:

      n=1+Kρ

      其中,n為氣體的折射率,ρ為氣體的密度,K為Gladstone-Dale系數(shù)。

      由Gladstone-Dale關(guān)系可以將擾動的氣體密度的變化,轉(zhuǎn)化為氣體折射率的變化,通過紋影技術(shù)將折射率變化轉(zhuǎn)變?yōu)槊靼底兓募y影圖像,從而實現(xiàn)氣流的可視化[5]。

      1.2? ? 紋影裝置的搭建

      紋影技術(shù)所需的器材簡單,對光源和光學(xué)器件的精度要求較低,易于搭建,適用于中學(xué)課堂。本研究搭建的紋影光路為單鏡離軸光路,這種光路搭建難度較小,成像質(zhì)量能夠滿足中學(xué)課堂對氣流可視化的需求。

      紋影實驗光路如圖1所示,該實驗裝置由凹球面反射鏡(焦距750 mm)、LED光源、刀片(遮光片)和相機(手機攝像頭)組成,光在傳播過程中經(jīng)過折射率不均勻的氣體擾動區(qū),光的傳播軌跡就會按照一定的折射角發(fā)生變化從而形成紋影圖像,相機即可捕捉到紋影圖。

      紋影裝置搭建步驟如下:

      (1)對LED燈進行部分遮光處理,使其盡量滿足點光源的條件;

      (2)將光源固定放置在凹球面反射鏡的2倍焦距處;

      (3)在2倍焦距平面附近尋找光源所產(chǎn)生的最亮光斑的位置;

      (4)移動刀片到光斑最亮的位置并遮住一半光斑,再移動相機使剩下光斑能夠進入攝像頭;

      (5)適當(dāng)降低相機的曝光度,得到對比度清晰的紋影圖像;

      (6)手機相機記錄的紋影圖像可以實時傳輸?shù)桨装迳?,方便學(xué)生觀看。

      此外,要盡可能調(diào)整攝像頭的位置與LED光源的位置靠近,這樣可以減少實物與實物在凹球面反射鏡所成的像的交疊而產(chǎn)生紋影圖像的重影現(xiàn)象。紋影實驗裝置實物如圖2所示。

      2? ? 紋影成像的教學(xué)應(yīng)用

      在課堂上,與氣體流動相關(guān)的演示實驗可以結(jié)合紋影技術(shù),使學(xué)生既能看到實物現(xiàn)象,又可利用攝影看到實驗過程中的氣體流動,提高本節(jié)課對氣體流動實驗的演示效果。

      2.1? ? “相吸的紙張”——突破盲點

      “流體壓強與流速的關(guān)系”一節(jié)中設(shè)計的課堂演示實驗是“相吸的紙張”:手握兩張紙,讓紙自由下垂,在兩張紙中間向下吹氣?!跋辔募垙垺睂嶒炛荚谧寣W(xué)生觀察兩紙在吹氣過程中往中間靠攏的現(xiàn)象,得到氣體流速越大壓強越小的結(jié)論。實驗中,雖有“吹氣”的動作,但學(xué)生更多地依靠生活經(jīng)驗來理解“吹氣的空間氣體流速大”,科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性均不夠高。因此,在原有實驗的基礎(chǔ)上,突破現(xiàn)象的盲點,讓學(xué)生借助紋影法觀察圖像,感性和理性兼具地理解氣體流速的不同,能幫助學(xué)生更好地理解實驗現(xiàn)象。

      提前調(diào)節(jié)好紋影光路和手機的曝光參數(shù),并將拍攝的畫面實時投影到教室的白板上,得到清晰的圖像。手握兩張自由下垂的紙張置于氣流擾動區(qū)中,并使LED光源發(fā)出的光線從兩紙張之間穿過。啟動吹風(fēng)機吹氣(使用吹風(fēng)機可長時間維持實驗現(xiàn)象),學(xué)生觀察到圖3,兩紙張往中間靠攏,用手機拍攝的紋影圖像如圖4所示。

      通過圖像可以直觀地發(fā)現(xiàn),紙張之間的區(qū)域明暗對比度較大(氣體流速大),而紙張兩外側(cè)區(qū)域明暗對比度較小(氣體流速?。?;紙張在吹氣時相互靠攏,代表中間區(qū)域的氣體壓強小,兩側(cè)的氣體壓強大。由此,學(xué)生不僅可以看到演示實驗的全過程,還可以結(jié)合氣流的紋影圖像眼見為實,在直觀的實驗現(xiàn)象中增強感性認識,更順利地得出氣體在流速大的位置壓強小的結(jié)論,符合其心理發(fā)展規(guī)律。

      變式練習(xí)——“相吸的乒乓球”:

      “相吸的乒乓球”憑借取材簡單、制作便捷、效果明顯等優(yōu)點也常見于物理課堂,可作為“相吸的紙張”的變式實驗引入課堂。將器材如圖5放置,通過紋影圖像(圖6)可觀察到,吹氣時兩乒乓球之間區(qū)域的明暗對比度較高,可以清晰地看到一束氣流,乒乓球外側(cè)區(qū)域沒有明顯的明暗對比,這樣在乒乓球中間與兩側(cè)形成了氣壓差,在吹氣的時候乒乓球迅速往中間靠攏。紋影圖像能清晰定格氣流吹出的一瞬間,并直接對乒乓球進行受力分析,方便學(xué)生對實驗現(xiàn)象進行思考。這種對例證進行微小改變的變式練習(xí)可以在保證其他條件不變的情況下,通過適當(dāng)?shù)膹?fù)習(xí)聯(lián)系,使知識得到鞏固,將陳述性知識轉(zhuǎn)化成規(guī)律性知識。

      2.2? ? “懸浮的乒乓球”——突破難點

      “懸浮的乒乓球”是教師常用的另一個“氣體壓強與流速的關(guān)系”演示實驗:用吹風(fēng)機吹出豎直向上的氣流,乒乓球在空氣的作用下懸浮在空中。此現(xiàn)象教師一般解釋為吹風(fēng)口的空氣流速大,流速大壓強小,因此乒乓球被緊緊“壓”在吹風(fēng)機上方。但若將吹風(fēng)機的風(fēng)向小角度地傾斜,乒乓球依然可以穩(wěn)定懸?。▓D7)。因此,該解釋并不嚴(yán)謹(jǐn)。

      如果利用紋影成像對氣體的流動進行圖像顯化,教師能更加科學(xué)地解釋該實驗現(xiàn)象。這里展示風(fēng)向傾斜時的情況。用吹風(fēng)機傾斜一定角度吹風(fēng),使乒乓球懸浮于紋影光路的氣體擾動區(qū),此時的紋影圖像如圖8所示。可以看出,乒乓球表面較近的區(qū)域明暗對比度較強,說明氣體流速較大,反之在離乒乓球表面較遠的位置氣體流速較小或沒有氣流,那么乒乓球表面的氣流與周圍未被擾動的空氣形成了較大的壓強差,產(chǎn)生指向小球的壓力。正是這個壓力讓乒乓球受力達到平衡,能夠懸浮于空中[6]。從紋影圖像也可以看到吹風(fēng)機吹出來的氣流并非不變,經(jīng)過乒乓球的氣流時刻變化,這些氣流差異形成的壓力又產(chǎn)生了力矩,因此可以觀察到乒乓球在懸浮的過程中又伴隨著自轉(zhuǎn)[6]。此外,從紋影圖像上可以看到乒乓球有輕微的重影現(xiàn)象,這是乒乓球和它在凹球面鏡反射的像交疊所導(dǎo)致的。

      利用紋影法對“懸浮的乒乓球”演示實驗的氣流進行可視化,可以讓學(xué)生在觀察實驗現(xiàn)象的同時,對不可見的氣流進行更深層次的分析,經(jīng)歷科學(xué)探究的過程;有助于教師突破教學(xué)難點,引導(dǎo)學(xué)生對材料進行分析綜合、抽象概括,從而推理得到流體壓強與流速的關(guān)系。

      2.3? ? 趣味性拓展實驗——突破煩點

      除了課堂演示實驗,在課后教師同樣可以利用紋影技術(shù)開展趣味性拓展實驗,使學(xué)生將實驗感知和思維活動結(jié)合,不僅培養(yǎng)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣,還能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度,對課內(nèi)知識進行課外延伸,以突破“從生活走向物理”的教學(xué)煩點。

      如圖9所示,將水杯放置在氣體擾動區(qū),往水杯中緩慢倒入熱水,通過紋影圖像可以觀察到氣流緩緩升起。這是因為杯子附近的空氣溫度高,密度小,形成了向上的熱氣流。溫度的不均勻分布和上升的氣流導(dǎo)致局部的空氣折射率發(fā)生變化,在紋影光路下轉(zhuǎn)化為明暗對比的圖像,達到可視化的效果。相比于平時直接觀察熱水上方的液化“小水珠”,紋影成像后呈現(xiàn)的氣體流動區(qū)域更廣,效果更清晰。

      圖10為使用打火機點火時的紋影圖像,由于火焰的溫度非常高,產(chǎn)生了巨大的熱氣流。紋影圖像上的明暗對比度高,說明火焰產(chǎn)生的熱氣流流速大,雜亂無章,迅速上升,紋影效果最為明顯。

      3? ? 總? 結(jié)

      物理教學(xué)中的實驗,基礎(chǔ)在于讓學(xué)生有體驗。本文創(chuàng)新性地用紋影成像將“摸得著但看不見”的氣流可視化,課堂上把紋影圖像投屏,在其上對物體進行分析,直觀性強,在學(xué)生的頭腦中形成生動的表象,提升了物理教學(xué)實驗的“體驗感”;實驗結(jié)束后,及時對物體進行受力分析,引導(dǎo)學(xué)生參與規(guī)范的推理論證過程,這是在感性材料加工后培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,強調(diào)物理教學(xué)實驗的重點——科學(xué)思維;在課余時間,利用紋影法還能開展一些課外趣味性實驗,讓學(xué)生觀察生活中形形色色的氣流,開拓視野,激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的興趣,培養(yǎng)其科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力,充分體現(xiàn)了物理學(xué)科實驗的培養(yǎng)核心——科學(xué)素養(yǎng)。

      單鏡離軸紋影光路搭建簡單,耗材較少,可重復(fù)性強,教師容易上手,且效果顯著。該方法在探究“流體壓強與流速的關(guān)系”中的應(yīng)用也不局限于以上實驗,還可輔助演示“飛機的升力”“不等高的液柱”“隔杯吹蠟燭”等內(nèi)容;此外,在“聲音的特性”“分子熱運動”等章節(jié)中,紋影成像還可用于超聲波、擴散現(xiàn)象等實驗的可視化。因此,可應(yīng)用紋影成像對初中物理實驗進行創(chuàng)新,操作簡便,應(yīng)用范圍廣,同時也為教師提供教學(xué)和實驗的新思路。

      參考文獻:

      [1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2022.

      [2]彭鈺嵋,邱文婷,李佳健,等.自制多功能氣體壓強與流速關(guān)系演示儀[J]. 物理教學(xué)探討,2021,39(8):52-54.

      [3]梅硯君.驗證流體壓強與流速的關(guān)系[J].物理教學(xué), 2009,31(7):24,15.

      [4]謝桂英.自制低成本教具,提高初中物理演示實驗教學(xué)的有效性[J].物理實驗,2014,34(4):11-14,18.

      [5]張津碩,劉豐琦,柳鴻運,等.利用紋影法測量氣體的噴流速度[J].實驗室研究與探索, 2022,41(1):28-32.

      [6]李耀俊,任樹榆.用柯恩達效應(yīng)科學(xué)解釋電吹風(fēng)懸浮乒乓球?qū)嶒灒郏剩荩锢斫處?,2019,40(3):58-59,66?/p>

      (欄目編輯? ? 劉? ?榮)

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