气压差对错车车辆的作用力演示器

摘要

利用可调速鼓风机、柔软丝带和模拟车辆等附带装置自制一种仪器，可演示两车同向或反向错车时，因两车内外两侧气流速度的不同，导致两车在气压差的作用下，有相互靠拢或分开的现象。竖直悬挂的丝带可大致显示某处气流速度的方向和大小；两竖直悬挂的圆柱体模拟车底部在垂直于气流方向上间距的变化，可反映气压差对两车的作用效果；利用两橄榄形物体模拟车与底板滚动摩擦较小的特点，在气压差作用下滚动着相互靠拢或分开的现象，也能证明气压差对同向和反向错车车辆的作用力是不同的。

Graphical abstract

关键词

鼓风机 / 气压差 / 模拟车辆 / 错车车辆 / 作用力

物理学是一门以实验为基础的学科。利用“流体压强与流速的关系”解释生活中的现象是物理教学的难点之一^［1］。虽然传统的关于流体流速与压强关系的实验已经不少，但至今仍然没有专门直观展示错车（船）现象的实验仪器。在实际教学中，教师只能用推理的方法纸上谈兵，尤其是对反向错车（会车）的情形，由于缺乏足够的直观经验，往往会与同向错车的情形混为一谈，得出气压差会导致两车相互靠拢的错误结论。利用鼓风机和模拟飞机的机翼，演示飞机产生升力的实验仪器早已进入普通物理实验室；同样，也有利用鼓风机和模拟车辆，演示两车同向或反向错车受气压差影响的实验仪器^［2］，该实验的难点主要是车的两侧都有气流流过，两车之间的两股气流之间、气流与车之间都存在着极不稳定的相互作用，尤其是反向气流相遇时又会产生较强的涡流。模拟车的位置、体积、密度、形状、鼓风机的位置、风力的大小和方向等因素都会影响实验的效果。因此，该演示器发明的难度和复杂程度都要远大于飞机升力演示器。

1 演示器主要结构

演示器的主要结构如图1所示。

2 演示器技术特点

鼓风机的调速器可在一定范围内调整鼓风机吹出气流的速度。3条竖直悬挂的丝带（条）可大致反映该处气流速度的大小和方向。模拟车两侧都有气流流过，更接近真实的错车情况。两辆竖直悬挂的圆柱体模拟车底部在水平方向上的间距变化，可直观反映出气压差对两车在水平方向上的作用效果。若将两橄榄形物体模拟车的“轴线”与水平底板平行放置在底板上的合适位置，即侧放在底板上的合适位置，两橄榄形物体模拟车受气压差时两车滚动着靠拢或分开，动态效果非常明显。

3 演示器技术要求

（1） 需要再另外配备1个带开关的220 V电源插座，以便演示两鼓风机同时打开和关闭的步骤。

（2） 模拟车选用圆柱形的PVC水管制作，主要是为了最大限度地减少其他再生涡流对模拟车的影响。当圆柱形模拟车竖直悬挂时，因为其顶部受细绳束缚力较大，所以主要观察模拟车底部受气流、气压差的影响。

（3） 该演示器的底板采用铁皮制成，既便于使用螺丝固定支架、鼓风机和调速器等部件，又便于把部分导线置于底板下面（布置成暗线）和鼓风机开进气孔。

（4） 3台鼓风机型号均为9733鼓风机+聚风管，与之配套的是2个调速器。鼓风机A和鼓风机B的聚风管方向朝底板内侧，并排固定于底板左侧靠边的中部位置；鼓风机A的反面朝上，鼓风机B的正面朝上，两者聚风管中心距离为6 cm左右。鼓风机C的正面朝上，固定于鼓风机B聚风管的正对面，位于底板右侧靠边的位置。鼓风机A由于是反面朝上，故应在其中间正对底板的部分开一个足够大的小孔，以便留有足够的进气通道。

（5） 调速器A固定于鼓风机C的左侧，只负责对鼓风机A进行调速。调速器B固定于鼓风机C的右侧，靠连接插头的转换，负责对鼓风机B或鼓风机C进行调速。

（6） 圆柱形模拟车A和B均用PVC-U、50 mm×2 mm的水管制作，长度为35 cm左右，在一端的顶部钻有均匀分布的4个小孔，用细线悬挂在“门”形支架的横梁上。橄榄形模拟车A和B主要用PVC-U、50 mm×2 mm的水管制作，长度为25 cm左右。

（7） 3条丝带（条）皆使用材质柔软的项链挂绳即可，长度约为50 cm。

（8） 5个鳄鱼夹分别用来固定和调节圆柱形模拟车和丝带的水平位置与高度，能正常使用即可。

4 演示器使用方法

4.1 利用丝带观察气流的分布情况

（1） 把两圆柱形模拟车移到“门”形支架的两侧，并用鳄鱼夹分别将其系绳固定。

（2） 用鳄鱼夹调整3条丝带在“门”形支架上的位置，使中间丝带自然竖直下垂到两鼓风机中间气流重叠的区域，两侧丝带自然竖直下垂到仅有一股气流吹过的区域。

（3） 通过调速器先后分别打开鼓风机A、B、C，观察丝带的飘动情况，同时调节丝带悬挂的位置，确认各鼓风机能正常使用。

（4） 把调速器B的输出插头接到鼓风机B的输入端，同时打开鼓风机A和B，观察到中间丝带偏离竖直方向的角度比两侧丝带的要大，说明中部重叠部分的气流速度较大。

（5） 把调速器B的输出插头改接到鼓风机C的输入端，同时打开鼓风机A和C，观察到两边的丝带分别朝各自的气流方向飘动（方向相反），而中间的丝带沿逆时针方向在鼓风机A和C之间来回旋转摆动，说明中部的气流是涡流。

4.2 演示气压差对两圆柱形模拟车的作用

（1） 调整2辆圆柱形模拟车在横梁上的悬挂位置，使它们分别位于3条丝带的中间部位，与底板间距大约1.5 cm为宜，并保持竖直。

（2） 打开鼓风机A或B，使气流沿水平方向流过其中一辆模拟车两侧，观察到两模拟车底部相互靠拢；然后再通过调速器打开另一台鼓风机，会观察到两辆模拟车底部靠得更近了，相当于两模拟车同向急速错车的情形。

（3） 同时关闭或打开鼓风机A和B，观察到两辆模拟车底部水平方向间隔由大到小发生变化。说明两辆模拟车同向急速错车时的确有相互靠拢的情形。

（4） 先打开鼓风机A或C，使气流沿水平方向流过其中一辆模拟车两侧，观察到两模拟车底部相互靠拢；然后再通过调速器打开另一台鼓风机，会观察到两辆模拟车底部分开了，相当于两辆模拟车反向急速错车的情形。

（5） 同时关闭或打开鼓风机A和C，观察到两辆模拟车底部水平方向间隔由小到大发生变化。说明两辆模拟车反向急速错车（会车）时的确有相互分开的情形。

4.3 演示气压差对两橄榄形模拟车的作用

（1） 打开鼓风机A和B，把两橄榄形模拟车侧放在水平底板上，使两橄榄形模拟车的“轴线”与气流方向平行，间隔适当，使鼓风机A和B的中心重叠部分气流同向穿过两橄榄形模拟车的中部位置，会看到两橄榄形模拟车滚动着相互靠拢，说明两模拟车同向急速错车时气压差会使其相互靠拢。

（2） 通过调速器打开鼓风机A和C，用手把两橄榄形模拟车紧靠在一起，使鼓风机A和C的中心重叠部分气流反向穿过两辆模拟车的中部位置，松开手后会看到两模拟车滚动着相互分开，说明两辆模拟车反向急速错车时气压差会使其相互分开。

5 与飞机升力演示器的组合

在鼓风机A和B前的适当位置，还可制作2条弧形轨道和1个模拟机翼。当两鼓风机A和B同时打开时，模拟机翼就会沿弧形轨道上升到一定高度；同时关闭鼓风机A和B，模拟机翼就会下落到起始位置。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书教师教学用书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2016.

[2] 姚世龙.物理实验课堂实录：演示气压差对飞机机翼和错车车辆的作用力［EB/OL］.（2023-10-12）［2023-10-16］.