任少鐸

(廈門一中海滄分校,福建，廈門 361000)

飛機(jī)升力原理,是北師大版初中物理課本8年級(jí)下冊(cè)第8章第7節(jié)飛機(jī)為什么能上天的主要內(nèi)容(見課本第59頁)．課本對(duì)機(jī)翼升力的講解,存在一定的不足和錯(cuò)誤之處．筆者通過查閱相關(guān)書籍和資料,指出課本的不足和錯(cuò)誤,并給出了適當(dāng)?shù)男薷慕ㄗh．

1 飛機(jī)升力原理分析

1.1 低速翼型的升力來源

質(zhì)量守恒定律是自然界的基本規(guī)律之一,空氣在流動(dòng)時(shí),也要遵守質(zhì)量守恒定律.這條定律在空氣動(dòng)力學(xué)中稱為連續(xù)性定理．根據(jù)連續(xù)性定理,單位時(shí)間內(nèi)流過任意截面的空氣質(zhì)量相等．當(dāng)空氣低速流動(dòng)(馬赫數(shù)小于0.3)時(shí),可不考慮空氣的壓縮性．此時(shí),當(dāng)流體流過管道時(shí),在截面面積大的地方流速小,在截面面積小的地方流速大,如圖1,[1]截面1的面積大于截面2,可得v1

圖1 流管面積與流速

飛機(jī)飛行時(shí),空氣流到機(jī)翼前緣時(shí),分成上下兩股,分別沿機(jī)翼上下表面流過,由于受機(jī)翼翼型和迎角(翼弦與相對(duì)氣流方向之間的夾角)的影響,機(jī)翼上表面流管變細(xì),流速加快,壓強(qiáng)減小;下表面壓強(qiáng)大．上下表面垂直于相對(duì)氣流方向壓力差的總和就是機(jī)翼升力,如圖2．[2]

圖2 機(jī)翼升力分析

1.2 亞聲速和超聲速翼型的升力來源

飛機(jī)在亞聲速和超音速飛行時(shí),空氣的一些特性已經(jīng)發(fā)生了變化,已經(jīng)不能認(rèn)為是不可壓縮的．此時(shí),飛機(jī)的升力來源更為復(fù)雜．尤其是超音速飛機(jī),根據(jù)一級(jí)近似理論,薄翼型的彎度和厚度部分都不會(huì)產(chǎn)生升力,而僅由翼型的迎角產(chǎn)生．[3]

2 教材的不足和錯(cuò)誤之處分析

2.1 機(jī)翼形狀

課本說機(jī)翼都是上凸下平的形狀(見課本第59頁第二段),這種說法與現(xiàn)實(shí)不符合．

實(shí)際上機(jī)翼的形狀很少有上凸下平的,大部分都是上凸下也凸,如圖3．[4]

圖3 部分機(jī)翼的截面

飛機(jī)在超聲速飛行時(shí),機(jī)翼周圍會(huì)形成激波和膨脹波(如圖4),[5]目前低超音速飛機(jī)的翼型,為了減小激波阻力和兼顧超音速飛機(jī)的低速特性,其形狀都為小圓頭對(duì)稱薄翼型,[6]如圖5．

圖4 超聲速機(jī)翼周圍的激波和膨脹波 圖5 部分超音速飛機(jī)機(jī)翼截面

2.2 插圖分析

課本給出了圖6所示插圖(見課本第59頁圖8-56),氣流的箭頭在通過機(jī)翼前是上下對(duì)齊的,在通過機(jī)翼后仍然是上下對(duì)齊的,這樣會(huì)誤導(dǎo)大家．師生會(huì)誤認(rèn)為在機(jī)翼前方被分開的氣流同時(shí)到達(dá)機(jī)翼后方,并以此得出上表面在相同的時(shí)間要通過的路程更大,因此流速大．

事實(shí)上,根據(jù)實(shí)際升力可以算得,機(jī)翼上方的氣流要比機(jī)翼下方的氣流更早的到達(dá)機(jī)翼后方,如圖7所示．[7，8]

圖6 圖7 機(jī)翼上下方氣流速度情況

2.3 升力方向

課本第二段說向上和向下的壓力差就產(chǎn)生了作用在機(jī)翼上的向上的力,叫舉力或升力,第三段說舉力是豎直向上的,這種說法與現(xiàn)實(shí)不符．

機(jī)翼升力是上下表面垂直于相對(duì)氣流方向壓力差的總和,所以升力與相對(duì)氣流方向相垂直,而不是與地面相垂直．如果飛機(jī)處于上升或者傾斜的狀態(tài),則升力對(duì)于地面來說就是傾斜的,如圖8和圖9．[9，10]

圖8 圖9

3 對(duì)教材的修改建議

筆者建議,課本有關(guān)升力理論的部分可以改為:飛機(jī)低速飛行時(shí),一般機(jī)翼的前緣稍向上仰,跟氣流方向成一個(gè)小的仰角,由于翼型和仰角的作用,氣體流過機(jī)翼上方時(shí)會(huì)受到擠壓,機(jī)翼上方空氣流動(dòng)速度比下方的大,所以機(jī)翼下方壓強(qiáng)大于上方壓強(qiáng),由此產(chǎn)生的壓力差就是飛機(jī)升力的原因．同時(shí)課本插圖可以改為圖10之類更符合真實(shí)翼型的插圖．

圖10 真實(shí)的翼型截面

4 結(jié)束語

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),物理學(xué)更是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖匀豢茖W(xué)．作為基礎(chǔ)教育的教科書應(yīng)當(dāng)是知識(shí)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南笳?課本可以簡化相關(guān)理論,但絕不可與事實(shí)相違背傳遞錯(cuò)誤的知識(shí)．關(guān)于升力的理論如此描述,確實(shí)會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生和老師,不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),起不到教改的作用．

盡信書不如無書,教師不應(yīng)當(dāng)把教科書當(dāng)成權(quán)威,應(yīng)當(dāng)敢于質(zhì)疑,并且教育學(xué)生敢于質(zhì)疑權(quán)威和書本．科學(xué)史上大量事例表明,不囿于傳統(tǒng)理論和觀念、不迷信權(quán)威是科學(xué)創(chuàng)造的思想前提,沒有提出科學(xué)問題的能力和不畏懼“權(quán)威”的質(zhì)疑精神是不可能做出大貢獻(xiàn)的．