關善超

(蘇州市陽山實驗初級中學校 江蘇 蘇州 215151)

物理學作為一門對社會進步有巨大推動作用的學科擁有其獨特的思想和魅力.然而，近些年凡是可以自由選擇高考科目的省份里(如浙江省)，選擇物理的人數(shù)遠遠小于其他學科，并且有逐年下降趨勢.這固然和物理相對其他考試學科難度較大有關，但不可忽視的是,學生對物理的不感興趣也是一個十分重要的原因,愿意把物理學當成其終身努力方向的學生越來越少.這和中學物理教學過程中枯燥的教學環(huán)節(jié)、大量的機械練習及相對脫離實際的知識應用有很大關系.教師并沒有把物理獨特的吸引力展示給學生.學生在學習物理過程中不斷得到暗示：物理很難學，科學家都是天才，物理學前沿發(fā)現(xiàn)更難，因此我不適合學物理，進而和物理越走越遠[1].

其實，讓學生感受到物理學并沒有那么“高大上”，物理學家并非想象中的“珍奇生物”，前沿發(fā)現(xiàn)也并不是遙不可及是非常重要的.這需要教師有一定的教學策略和手段.通過介紹一些前沿物理學發(fā)現(xiàn)和學生當前學習知識之間的關系，并進行簡單的探究，有助于學生了解物理學前沿，確定人生目標，消除對物理前沿研究的誤解，讓更多的學生愿意主動登上物理的“賊船”[2]，由于數(shù)值模擬技術的出現(xiàn)，很多中學物理中原本并不好做的實驗可以通過模擬進行探究，既節(jié)約實驗成本，又有很好的實驗效果[3，4].

本文以人教版高中《物理·選修3-3》“飽和汽與飽和汽壓”為例，滲透物理學前沿發(fā)現(xiàn)“流體空化現(xiàn)象”(1)流體空化現(xiàn)象：流體內部負壓區(qū)中，液體由于低壓汽化進而產(chǎn)生空化泡的現(xiàn)象.空化泡在崩潰過程中會產(chǎn)生高溫、高壓、發(fā)光等作用，是船舶設計、石油勘探、超聲工程的熱門研究內容.，并運用數(shù)值模擬技術，幫助學生更清楚生動地認識理解這一現(xiàn)象.

1 引導鋪墊

高中物理教學中運用臨界思想解題的題目非常多，如追及問題、傳送帶劃痕問題等.其實臨界思想的應用遠不止此，很多重要的物理學發(fā)現(xiàn)就是基于臨界思想.

初中時我們就知道金屬的電阻會隨溫度降低而變小，那么有人就提出來，那我就一直給它降溫，它的電阻會不會變成零呢？把這個問題研究下去的人是海克·卡末林·昂內斯，最終他發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，并憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾物理學獎.類似的發(fā)現(xiàn)還有居里溫度，大家都知道磁體溫度越高磁性就越弱，那么能不能一直升高溫度直到磁性消失呢？結果大家都知道，這個溫度被命名為居里溫度.這些物理前沿的發(fā)現(xiàn)其實都建立在我們初高中就已學過的知識上，有時候物理學的發(fā)現(xiàn)就是再往前多走一步，突破臨界，就能發(fā)現(xiàn)一個新的天地.今天我們學習的內容“飽和汽與飽和汽壓”就和一個非常有趣并且與物理前沿的研究有關.

2 發(fā)現(xiàn)之旅

有了之前的鋪墊，教師可以引導學生做以下思考：

(1)流體的流速越大壓強就越小.

思考：當水的流速非?？斓臅r候，可能會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

由此有些學生能結合本節(jié)課的知識推測出：水的流速越大，水的壓力越小，則水的沸點越低，有可能會低到在常溫下水達到沸點汽化的現(xiàn)象.

這種現(xiàn)象叫做流體空化現(xiàn)象，是一種物理前沿研究非常多的物理現(xiàn)象.該現(xiàn)象的出現(xiàn)是否如學生們所猜測的呢？下面可以運用Fluent軟件進行數(shù)值模擬.

3 數(shù)值模擬

3.1建立模型

文丘里管為常見的流體空化發(fā)生器之一，本文以此來對空化現(xiàn)象做簡單模擬.使用Gambit建立如圖1所示模型，并劃分網(wǎng)格.

圖1 文丘里管模型

3.2 模擬設置

(1)進入General全局設置，選擇Transient瞬態(tài)模型，環(huán)境為標準大氣壓.

(2) 進入Models模型設置，打開Maxture混合模型，黏滯模型選擇K-epsilon模型.

(3)進入Materials材料設置，添加水蒸氣和液態(tài)水兩種材料.

(4)進入Phases相設置，設置液態(tài)水為主相，水蒸氣為第二相.同時在Interaction中打開Cavitation空化模型.

基于上述關于當前國內圖書館與MOOC相關問題研究的特點及存在問題的分析，筆者認為下一階段該領域的研究應注意以下4個方面。

(5)進入Boundary Conditions設置邊界條件.本文進行了3次模擬，分別在入口施加了0.2 MPa,0.5 MPa和2 MPa的壓強.出口設置為普通壓力出口.其他為壁面邊界.

(6)進入Solution methods求解器設置，壓力速度耦合求解器選擇PISO.

(7)進入Solution initialization求解初始化，選擇從全局進行初始化.

(8)進入Run calculation求解計算，設置計算時間步長為0.05 s，共計算300步，最后點擊Calculate計算.

3.3 結果分析

進入后處理模塊調取所需結果的速度云圖、壓力云圖及空化云圖,如圖2、圖3和圖4所示.

圖2 0.2 MPa時的速度、壓力和空化云圖

圖3 0.5 MPa時的速度、壓力和空化云圖

圖4 2 MPa時的速度、壓力和空化云圖

分析云圖可清楚得出，當入口壓力施加的越大時，水的流速就越大，流速越大的區(qū)域，液體的壓強就越小，因此在壓力云圖中出現(xiàn)了負壓(低于標準大氣壓的值)區(qū).

當入口壓力為0.2 MPa時雖然出現(xiàn)了負壓區(qū)，但由于壓力不夠低，并未出現(xiàn)空化現(xiàn)象.當入口壓力為0.5 MPa時，負壓區(qū)壓力明顯更低，最終在負壓區(qū)出現(xiàn)了空化現(xiàn)象.當壓力為2 MPa時，負壓區(qū)明顯增大，最終空化區(qū)域幾乎充滿了整個文丘里管.

模擬結果表明學生們的猜想是正確的，當流體的流速達到一定速度時，產(chǎn)生的負壓足夠低時，將會出現(xiàn)流體的空化現(xiàn)象.流速越大，負壓區(qū)域越廣，空化現(xiàn)象越明顯，空化現(xiàn)象具體有什么作用，學生們可以課后查閱.

4 結論

在中學物理教學中滲透學科前沿使更多的學生了解物理前沿在研究什么,這些研究能做什么.能極大地激發(fā)學生的學習探究欲望，減少對物理學習的恐懼，拉近和物理學科的關系.運用Fluent軟件模擬流體空化過程，生動直觀地引導學生發(fā)現(xiàn)流體空化和流體流速及壓強間的關系.完成了中學物理中較難完成的實驗探究，拓展了學生的視野，為中學物理教學中滲透物理前沿知識時，如何做進一步研究，避免空洞講述，提供了一種新的途徑.