賈浦濤

一、機翼升力實驗改進(jìn)

在教學(xué)初中物理流體壓強與流速時，飛機升力作為伯努利原理的應(yīng)用來分析，教材一般設(shè)計飛機升力實驗以增加學(xué)生的感性認(rèn)識。如人教版教材中，將紙按照圖1甲尺寸剪下，折成圖乙形狀并用小段膠帶固定，就制好了紙質(zhì)機翼模型，MN是固定在機翼前端的細(xì)線。把細(xì)線拉平繃緊，用嘴對著“機翼”前端的位置用力水平吹氣，可以看到“機翼”在氣流的作用下向上翹起(如圖1丙所示)。教材以此現(xiàn)象說明機翼能產(chǎn)生升力。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，用這種方法產(chǎn)生的效果是“機翼”產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，最后處于水平狀態(tài)，沒有整個“機翼”從下往上升起的效果。實驗存在的問題有兩點：

(1)紙機翼模型在實驗開始階段與實際機翼飛行階段氣流吹擊部位不同。由于拉緊細(xì)線后，紙機翼模型自然下垂，剛開始是平直的一面對著吹來的氣流，這相當(dāng)于氣流對著實際機翼的下表面向上吹，這顯然與實際不相符。

圖1

(2)紙機翼模型在實驗中由于細(xì)線不在重心處，吹氣時在氣流沖擊力作用下會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，直到達(dá)到平衡狀態(tài)，而實際機翼在起飛階段是不會繞著固定點轉(zhuǎn)動的。

為了使機翼模型在實驗中有升起來的感覺，證明機翼的外形會產(chǎn)生升力，將實驗做如下改進(jìn)：

①使機翼模型在實驗中始終處于水平狀態(tài)，與實際機翼迎氣流部位相同。

②固定機翼模型處在重心處，消除轉(zhuǎn)動效果，并使機翼產(chǎn)生升力后可以上下移動，產(chǎn)生“飛”的效果。

③引入對比實驗。將機翼模型凸面分別向上向下用氣流吹，觀察效果，說明機翼升力與其外形有關(guān)，增強說服力。

機翼模型的制作材料首選密度很小的泡沫塑料。取一塊長12 cm，寬6 cm，厚2 cm(具體尺寸要求不用太嚴(yán)格，但厚度不能太薄，否則實驗時機翼模型不易保持水平狀態(tài))的泡沫塑料。用鋒利的小刀來回拉動，切割成機翼模型，找出其重心，再用直徑約1 mm的細(xì)鐵絲用火加熱，在重心處沿垂直機翼模型方向扎一小孔，切一段2 cm長的空塑料筆芯插入小孔，機翼模型就做好了。

實驗時，將直徑約1 mm的光潔細(xì)鐵絲插入機翼模型的小孔中，使它凸起的一面向上，一只手舉著細(xì)鐵絲使機翼模型處于水平狀態(tài)，另一只手持電吹風(fēng)機對著機翼模型吹氣，可以看到機翼模型緩緩升起，在空中隨著氣流上下晃動，像飛機在飛行(如圖2所示)。將機翼模型倒過來凸面向下，用電吹風(fēng)機吹氣，機翼模型升不起來(如圖3所示)，說明機翼的外形會產(chǎn)生升力。

圖2

圖3

此方法簡單易行，即使用嘴吹氣，也能產(chǎn)生很好的效果。

二、對機翼升力的誤解

1.教材對飛機升力的解釋

人教版教材是這樣引導(dǎo)學(xué)生的：幾十噸重的飛機為什么能夠騰空而起？秘密在于機翼。你觀察過飛機的機翼嗎？它的截面是什么形狀？將飛機升力產(chǎn)生的焦點指向機翼的形狀。接著這樣解釋：飛機前進(jìn)時，機翼與周圍的空氣發(fā)生相對運動，相當(dāng)于有氣流迎面流過機翼，氣流被機翼分成上下兩部分，由于機翼橫截面的形狀上下不對稱，在相同的時間內(nèi)，機翼上方氣流流過的路程較長，因而速度較大，它對機翼的壓強較??；下方氣流通過的路程較短，因而速度較小，它對機翼的壓強較大。因此在機翼的上下表面存在壓強差，這就產(chǎn)生了向上的升力。在學(xué)生學(xué)過這部分知識后，若教師提問：機翼的升力是怎樣產(chǎn)生的？學(xué)生都認(rèn)為是由機翼的形狀產(chǎn)生的，甚至許多教師也是這樣認(rèn)為的。實際上這樣的觀點是不全面的，會對學(xué)生造成誤導(dǎo)，產(chǎn)生這樣的原因是由教材的不恰當(dāng)表述造成的。

2.學(xué)生實驗中的發(fā)現(xiàn)引出的問題

課后，好奇心使一些學(xué)生反反復(fù)復(fù)用電吹風(fēng)機對著機翼模型吹氣，發(fā)現(xiàn)了無法解釋的現(xiàn)象：當(dāng)機翼模型的凸面向下時，用電吹風(fēng)吹氣，機翼模型也能產(chǎn)生升力“飛”起來(如圖4所示)。按照教材的解釋，此時產(chǎn)生的升力方向向下，機翼模型重力方向也向下，二者的合力向下，機翼模型不會升起來，事實上它卻升了起來，顯然教材的解釋出現(xiàn)了問題。按照教材的說法，也無法解釋早期雙翼飛機的平板形機翼是如何產(chǎn)生升力的?，F(xiàn)代許多戰(zhàn)斗機機翼是上下對稱的菱形，它們是怎樣產(chǎn)生升力的？飛行表演時機腹向上的倒飛如何解釋？顯然教材對飛機升力的解釋有一定的片面性，需要改進(jìn)表述方法。

圖4

3.飛機升力的正確解釋

飛機在空中飛行時，在豎直方向上受到豎直向上的升力來克服飛機的重力，當(dāng)二者平衡時，飛機才能在空中穩(wěn)定地飛行。物理學(xué)中流體力學(xué)定量計算升力的公式為Y=，其中Y為升力，Cy為升力系數(shù)，S為機翼的特征面積，ρ為空氣密度，v為空氣流體的速度。升力系數(shù)Cy與機翼橫截面的形狀，氣流與機翼所成的角度(即迎角)等有關(guān)?？梢娫趯︼w機升力的貢獻(xiàn)中機翼形狀只占一部分，機翼形狀所產(chǎn)生的伯努利效應(yīng)只能解釋很小的一部分升力。如果飛機僅僅根據(jù)“伯努利原理”來飛行，現(xiàn)代的許多戰(zhàn)斗機就飛不上天，更無法倒飛表演，而能飛起來的飛機機翼形狀必須非常“拱起”。實際上，飛機產(chǎn)生升力的一個重要原因還與氣流的沖擊角度有關(guān)。捏住紙的上邊緣兩角，使紙自然下垂，對著紙的上邊緣上方水平吹氣，紙會飄起來，這是伯努利效應(yīng)的結(jié)果；但正對著下垂的紙面水平吹氣，紙也會飄起來，這是氣流沖擊效應(yīng)的結(jié)果。當(dāng)氣流相對于機翼從前下方以一定的角度吹時，機翼就會產(chǎn)生向上的升力，機翼模型凸面向下也能“飛”起來就是這個原因。為此，現(xiàn)代飛機的機翼與其自身有一個大約4°的傾角，當(dāng)飛機從將場起飛時，機頭總是高高抬起形成更大的迎角，以獲得較大的氣流沖擊效應(yīng)。氣流的沖擊力在機翼上分解為對飛機的阻力和向上的升力，飛機的發(fā)動機產(chǎn)生的推力克服阻力使飛機前進(jìn)，向上的升力使飛機騰空而起。機翼迎角的作用換而言之就是改變氣流的運動方向，好像把空氣向下推，因而空氣對機翼產(chǎn)生向上的反作用力，把機翼向上推，產(chǎn)生升力。飛機倒飛表演時總是機頭高昂，形成較大的迎角，只要迎角合適，產(chǎn)生的升力照樣能使飛機在空中飛行。

三、對教材中飛機升力表述的建議

飛機的升力產(chǎn)生及解釋很復(fù)雜，沒必要對初中學(xué)生作詳細(xì)的解釋，但也不能讓學(xué)生學(xué)過這部分內(nèi)容后形成錯誤的觀念，這樣不利于以后更深入的學(xué)習(xí)。為此，建議初中教材中對這部分內(nèi)容這樣表述：飛機的升力是由機翼的多種因素造成的，其中飛機機翼橫截面的形狀是產(chǎn)生升力的原因之一。這樣的表述不僅不會讓學(xué)生對機翼升力產(chǎn)生錯誤的認(rèn)識，而且還能為學(xué)生以后在這方面更深入的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

[1]陳永麗.機翼升力的物理原理分析[J].現(xiàn)代物理知識,2010(2):20-21.

[2]郭守月,李滿蘭.怎樣更簡單地解釋飛機(機翼)升力？[J].科學(xué)中國人,2005(9):60-61.