用纸杯子和筷子做风速仪

用纸杯和筷子做风速仪：亲子科学探索新思路

导语

当孩子问起"风有多大"时，与其用手机查看天气预报，不如带他亲手制作一个能感知自然的风速仪。这个用纸杯和筷子搭建的简易装置，不仅能成为家庭科学启蒙的教具，更能培养孩子观察自然现象的兴趣。

一、材料准备与工具选择

准备6个同规格纸杯（建议使用奶茶杯）、2根竹制烧烤签、1根30cm木筷、图钉、量角器、直尺、热熔胶枪。选择纸杯时注意杯口直径差异不超过0.5cm，确保实验数据的准确性。竹签优先选用未弯曲的，可在使用前用重物压直。

二、制作过程全解析

步骤1：构建旋转支架

将木筷作为主支撑轴，用直尺在距离顶端2cm处标记中心点。取两根竹签呈90度交叉，交点对准标记点，用图钉穿透固定，形成"十"字支架。关键技巧：确保竹签两端伸出长度完全相等，可用直尺反复测量校正。

步骤2：安装测风单元

将4个纸杯等距固定在十字架四端：

① 杯口统一朝顺时针方向

② 杯底中心点对准竹签末端

③ 使用热熔胶三点固定法（杯口边缘2点、杯底1点）

剩余2个纸杯作为配重装置，垂直粘贴在主支架两侧，平衡整体结构。

步骤3：校准灵敏度

在自然无风环境下测试：

装置应保持静止状态

若有自转现象，通过增减配重杯的胶量调节

用铅笔在木棍上标注刻度，每间隔1cm做标记

三、核心科学原理揭秘

这个看似简单的装置，实际包含了三大物理学原理：

流体力学效应

纸杯的曲面结构在风流经过时，会产生压力差。当杯口正对风向时，气流在杯内形成涡旋，产生向外的推力；背风面的纸杯则因气流顺畅通过，形成拉力。这种推拉组合形成旋转力矩。

角动量守恒定律

装置转动速度与风力大小呈正相关。通过记录单位时间内的旋转圈数，可建立风速与转速的对应关系。实验证明，当十字架直径20cm时，每10转约对应3级风力（3.4-5.4m/s）。

机械能转换机制

风能→旋转动能→可观测位移的转换过程，完美演示了清洁能源的利用原理。可通过增减纸杯数量，直观观察能量转换效率的变化。

四、数据采集与实战应用

基础测量法

在稳定风速环境下，用秒表记录装置旋转10圈耗时。建立对照表：

5秒完成：约2级风（1.6-3.3m/s）

3秒完成：约4级风（5.5-7.9m/s）

1.5秒完成：达6级强风（10.8-13.8m/s）

进阶实验设计

① 不同杯型对比实验：尝试锥形杯、方口杯的测量差异

② 安装角度研究：将纸杯倾斜15°、30°观察转速变化

③ 长期观测记录：制作天气日志，对比自制仪器与气象预报数据

教学场景应用

地理课堂：结合季风特征讲解大气环流

物理实践：验证流体压强与速度的关系式

安全教育：通过风速判断户外活动风险等级

五、精度提升技巧

减阻优化

在支架连接处涂抹凡士林，降低30%摩擦损耗。定期检查旋转轴是否变形，建议每周校准一次基准线。

环境干扰排除

避免在建筑物拐角处测量，选择开阔地带。将装置举过头顶测量，可减少地面湍流影响。

数据修正公式

建立风速换算公式：V=0.2×N/T（V为风速m/s，N为旋转圈数，T为耗时秒数）。该经验公式在3-8m/s范围内误差小于15%。

六、创意延伸方案

可视化改造

在杯内放置彩色砂粒，随风速变化呈现不同图案。或用夜光颜料涂饰，制作星空观测版。

数字化升级

加装磁铁和干簧管，连接arduino开发板记录电子数据。通过简单电路改造，可将机械信号转化为数字信号。

艺术共创

用彩绘纸杯制作特色风速仪，结合二十四节气设计不同主题。例如清明时节的纸鸢图案，冬至的雪花造型等。

这个造价不足5元的科学装置，打开了认识自然的新维度。当孩子看着自制的风速仪在风中旋转，那份对科学的好奇与探索欲，正是STEM教育最珍贵的成果。下次天气变化时，不妨带着这个亲手制作的工具，去感受风的语言，记录自然的力量。