吳世永?周鳴宇?王坤?羅家忠

摘?要：根據(jù)飛行學(xué)員的特點，討論了在大學(xué)物理教學(xué)中如何通過直升機的示例作用來加深飛行學(xué)員對力學(xué)中理想模型和力的理解，并探討了如何結(jié)合直升機的飛行原理來學(xué)習(xí)動量定理和動量守恒定律。通過讓學(xué)員參與直接應(yīng)用物理知識來解釋和解決實際問題的過程，提高學(xué)員的應(yīng)用科學(xué)知識的能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：力學(xué)教學(xué)?直升機?力?角動量定理?動量守恒定律

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0175-02

大學(xué)物理力學(xué)是學(xué)員大學(xué)階段接觸最早的自然科學(xué)，也是銜接中學(xué)物理和大學(xué)物理的一座橋梁，是和生活現(xiàn)象聯(lián)系最密切的一部分內(nèi)容。力學(xué)的學(xué)習(xí)能夠有效地訓(xùn)練學(xué)員的科學(xué)思維，提高其科學(xué)素養(yǎng)，而且學(xué)好這部分內(nèi)容對于學(xué)員以后繼續(xù)物理學(xué)其他內(nèi)容的學(xué)習(xí)具有事半功倍的作用。飛行學(xué)員由于其特殊性，其學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對正規(guī)本科學(xué)員來說普遍偏低，但是他們對飛機往往懷著極大的熱忱，對飛機的各種信息關(guān)注度極大。在教學(xué)中如何充分利用學(xué)員的這種熱忱，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，是值得院校物理教員探索的一個課題。學(xué)員從電視、網(wǎng)絡(luò)、報紙和雜志對飛機已具有很多感性的認識，但是對飛機的諸多飛行原理并不是很了解，在力學(xué)教學(xué)中結(jié)合飛機的飛行原理來學(xué)習(xí)物理知識可以極好地提高教學(xué)效果。下面以幾個典型例子，說明如何在飛行員的大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中加強直升機的示例作用。

1借助直升機示例加深學(xué)員對力學(xué)中理想模型的理解

在大學(xué)物理的力學(xué)部分中，需要用到很多理想模型的概念，例如“質(zhì)點”和“剛體”。理想模型的引入對于物理學(xué)的研究是具有非常重要的作用的，可以大大地簡化研究方法和數(shù)學(xué)運算。但是，學(xué)員在學(xué)習(xí)的過程中對理想模型的理解卻常常不夠直觀和準確。這時候，就可以通過多媒體向?qū)W員演示，當(dāng)研究直升機的大距離飛行時，可以看作一個質(zhì)點；而當(dāng)研究直升機螺旋槳的運動或者機上人員的運動時，不可以看作質(zhì)點。當(dāng)研究螺旋槳和機身轉(zhuǎn)動時，可以把直升機看作一個剛體，而當(dāng)直升機發(fā)射炮彈時，就不能作為剛體來研究，只能看作是質(zhì)點系或者剛體系了。通過這么直觀形象的演示，學(xué)員就能初步建立起比較正確的理想模型的概念，進而對以后學(xué)習(xí)電學(xué)方面的“點電荷”等理想模型的理解具有較大幫助。

2通過直升機受力情況分析加深學(xué)員對力的理解

對物體進行受力分析是力學(xué)中的一個難點，中學(xué)時研究物體的受力較為簡單，學(xué)員主要把幾種典型的受力情況記住就行了，但是大學(xué)物理研究的是現(xiàn)實中物體的受力，需要考慮的情況較為復(fù)雜，學(xué)員往往會覺得無所適從。但是，受力分析的正確與否，將直接決定學(xué)員能否正確運用牛頓力學(xué)解決實際問題。在講解物體的受力時，結(jié)合直升機在不同飛行狀態(tài)下的受力進行講解，在學(xué)員的腦海中會形成直接、形象的感官認識，可以起到事半功倍的效果。首先，必須有兩個物體相互作用才會有力的作用，這兩個物體可以是相互接觸也可以是不接觸的。例如直升機改變運動狀態(tài)的動力來源是旋轉(zhuǎn)的螺旋槳與接觸的空氣的相對運動而產(chǎn)生的拉力，而直升機受到的重力是由于地球與直升機之間的萬有引力作用，是不需要接觸的。其次，物體的運動狀態(tài)的變化是由物體受到的合力決定的，例如空氣與螺旋槳的拉力與重力的合力決定了直升機運動狀態(tài)的變化。

3角動量定理和角動量守恒定律在直升機中的應(yīng)用

角動量定理和角動量守恒定律是大學(xué)物理剛體力學(xué)中的一個重點，也是難點。通過定理講解，雖然能讓學(xué)員初步明白什么是角動量以及角動量與力矩之間的關(guān)系，但是由于內(nèi)容相對抽象，中學(xué)時也沒有學(xué)過，故學(xué)員的理解有限。在教學(xué)中，通過直升機的圖片，學(xué)員會發(fā)現(xiàn)所有的直升機都帶有兩個螺旋槳，有的是主螺旋槳和一個尾槳，有的是共軸的雙螺旋槳，有的是縱向排列的雙螺旋槳，由此引發(fā)學(xué)員思考：為什么直升機必須是雙螺旋漿？可以通過帶尾槳直升機的動畫演示向?qū)W員說明角動量定理在解釋這個問題的應(yīng)用。當(dāng)主螺旋槳旋轉(zhuǎn)，而尾槳不旋轉(zhuǎn)時，會發(fā)現(xiàn)直升機的機身會產(chǎn)生一個與主螺旋槳轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)動，而且轉(zhuǎn)動速度隨著主螺旋槳的轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)主螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，由于空氣的阻力作用，主螺旋槳會受到一個與轉(zhuǎn)動方向相反的阻力矩作用，為了保持主螺旋槳的轉(zhuǎn)速不變，直升機機身通過發(fā)動機必須給主螺旋槳一個與轉(zhuǎn)動方向相同的動力矩。對于直升機機身和主螺旋槳組成的系統(tǒng)來說，機身給主螺旋槳的動力矩是內(nèi)力矩，所以主螺旋槳同時會給機身一個大小相等方向相反的力矩作用，導(dǎo)致機身產(chǎn)生一個方向與主螺旋槳轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)動，從而使得機身由于轉(zhuǎn)動也受到一個隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大的空氣阻力矩，待機身受到的兩力矩平衡后，機身保持勻速轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)速越快受到的空氣的阻力矩也越大，導(dǎo)致主螺旋槳轉(zhuǎn)動越快，機身的反向轉(zhuǎn)動也越快。更進一步，也可以用角動量守恒定律來解釋，直升機要保持一個穩(wěn)定的運動狀態(tài)，對其轉(zhuǎn)軸的角動量必須是一個恒量，也就是角動量是守恒的，由于主螺旋漿的旋轉(zhuǎn)會受到一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的阻力矩，如果尾槳不轉(zhuǎn)動，直升機還必須受到一個方向與主螺旋槳阻力矩相反的力矩作用，直升機才能保持角動量守恒，這個力矩就只能通過機身的反向轉(zhuǎn)動從而由空氣阻力產(chǎn)生。分析了主螺旋槳和機身的轉(zhuǎn)動情況后，指出，直升機的機身的轉(zhuǎn)動給飛行帶來很不利的影響，為了穩(wěn)定機身，就必須采取其他的方式來獲得與主螺旋槳受到的阻力距平衡的力矩，這就需要尾槳的作用。當(dāng)尾槳旋轉(zhuǎn)時，就會給直升機機身一個沿著尾槳轉(zhuǎn)軸的力，從而產(chǎn)生一個與主螺旋槳施加給機身的阻力矩相平衡的外力矩，機身才能保持穩(wěn)定。除了尾槳結(jié)構(gòu)，其他的共軸和縱向排列的雙螺旋漿結(jié)構(gòu)的原理是一樣的，可以讓學(xué)員自行分析。

4結(jié)語

通過在本科飛行員的大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中用直升機作示例，可以大大加強學(xué)員的力學(xué)概念和定理定律的理解和掌握，并為后續(xù)與飛行相關(guān)的課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。同時，通過讓學(xué)員參與直接應(yīng)用物理知識來解釋和解決實際問題的過程，提高學(xué)員的應(yīng)用科學(xué)知識的能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。

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