机翼升力实验改进和机翼升力误解.pdf

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1、机翼升力实验改进和机翼升力误解机翼升力实验改进和机翼升力误解一、机翼升力实验改进在教学初中物理流体压强与流速时，飞机升力作为伯努利原理的应用来分析，教材一般设计飞机升力实验以增加学生的感性认识。如人教版教材中，将纸按照图 1 甲尺寸剪下， 折成图乙形状并用小段胶带固定， 就制好了纸质机翼模型，MN 是固定在机翼前端的细线。把细线拉平绷紧，用嘴对着“机翼”前端的位置用力水平吹气，可以看到“机翼”在气流的作用下向上翘起（如图 1 丙所示） 。教材以此现象说明机翼能产生升力。 笔者在教学中发现， 用这种方法产生的效果是“机翼”产生转动，最后处于水平状态，没有整个”机翼”从下往上升起的效果。实验存在的

2、问题有两点： 纸机翼模型在实验开始阶段与实际机翼飞行阶段气流吹击部位不同。由于拉紧细线后，纸机翼模型自然下垂，刚开始是平直的一面对着吹来的气流，这相当于气流对着实际机翼的下表面向上吹，这显然与实际不相符。纸机翼模型在实验中由于细线不在重心处，吹气时在气流冲击力作用下会产生转动，直到达到平衡状态，而实际机翼在起飞阶段是不会绕着固定点转动的。为了使机翼模型在实验中有升起来的感觉， 证明机翼的外形会产生升力，将实验做如下改进：使机翼模型在实验中始终处于水平状态，与实际机翼迎气流部位相同。固定机翼模型处在重心处， 消除转动效果，并使机翼产生升力后可以上下移动，产生“飞”的效果。引入对比实验。将机翼模型

3、凸面分别向上向下用气流吹，观察效果，说明机翼升力与其外形有关，增强说服力。机翼模型的制作材料首选密度很小的泡沫塑料。取一块长 12 cm，宽 6 cm，厚 2 cm（具体尺寸要求不用太严格，但厚度不能太薄，否则实验时机翼模型不易保持水平状态）的泡沫塑料。用锋利的小刀来回拉动，切割成机翼模型，找出其重心，再用直径约1 mm 的细铁丝用火加热，在重心处沿垂直机翼模型方向扎一小孔，切一段 2 cm 长的空塑料笔芯插入小孔，机翼模型就做好了。实验时，将直径约1 mm 的光洁细铁丝插入机翼模型的小孔中，使它凸起的一面向上， 一只手举着细铁丝使机翼模型处于水平状态，另一只手持电吹风机对着机翼模型吹气，可以

4、看到机翼模型缓缓升起，在空中随着气流上下晃动，像飞机在飞行（如图 2 所示） 。将机翼模型倒过来凸面向下，用电吹风机吹气，机翼模型升不起来（如图 3 所示） ，说明机翼的外形会产生升力。此方法简单易行，即使用嘴吹气，也能产生很好的效果。二、对机翼升力的误解1.教材对飞机升力的解释人教版教材是这样引导学生的： 几十吨重的飞机为什么能够腾空而起？秘密在于机翼。 你观察过飞机的机翼吗？它的截面是什么形状？将飞机升力产生的焦点指向机翼的形状。接着这样解释：飞机前进时，机翼与周围的空气发生相对运动，相当于有气流迎面流过机翼，气流被机翼分成上下两部分，由于机翼横截面的形状上下不对称，在相同的时间内，机翼上

5、方气流流过的路程较长，因而速度较大，它对机翼的压强较小；下方气流通过的路程较短，因而速度较小，它对机翼的压强较大。因此在机翼的上下表面存在压强差，这就产生了向上的升力。在学生学过这部分知识后，若教师提问： 机翼的升力是怎样产生的？学生都认为是由机翼的形状产生的，甚至许多教师也是这样认为的。实际上这样的观点是不全面的，会对学生造成误导，产生这样的原因是由教材的不恰当表述造成的。2.学生实验中的发现引出的问题课后， 好奇心使一些学生反反复复用电吹风机对着机翼模型吹气，发现了无法解释的现象：当机翼模型的凸面向下时，用电吹风吹气，机翼模型也能产生升力“飞”起来（如图 4 所示） 。按照教材的解释，此时

6、产生的升力方向向下，机翼模型重力方向也向下，二者的合力向下，机翼模型不会升起来，事实上它却升了起来，显然教材的解释出现了问题。按照教材的说法，也无法解释早期双翼飞机的平板形机翼是如何产生升力的。现代许多战斗机机翼是上下对称的菱形，它们是怎样产生升力的？飞行表演时机腹向上的倒飞如何解释？显然教材对飞机升力的解释有一定的片面性，需要改进表述方法。3.飞机升力的正确解释飞机在空中飞行时，在竖直方向上受到竖直向上的升力来克服飞机的重力，当二者平衡时， 飞机才能在空中稳定地飞行。物理学中流体力学定量计算升力的公式为 Y=CySv2，其中Y 为升力，Cy 为升力系数，S 为机翼的特征面积， 为空气密度，v

7、 为空气流体的速度。升力系数 Cy 与机翼横截面的形状，气流与机翼所成的角度（即迎角）等有关。可见在对飞机升力的贡献中机翼形状只占一部分， 机翼形状所产生的伯努利效应只能解释很小的一部分升力。如果飞机仅仅根据“伯努利原理”来飞行，现代的许多战斗机就飞不上天，更无法倒飞表演，而能飞起来的飞机机翼形状必须非常“拱起”。实际上，飞机产生升力的一个重要原因还与气流的冲击角度有关。捏住纸的上边缘两角，使纸自然下垂，对着纸的上边缘上方水平吹气，纸会飘起来，这是伯努利效应的结果；但正对着下垂的纸面水平吹气，纸也会飘起来，这是气流冲击效应的结果。当气流相对于机翼从前下方以一定的角度吹时，机翼就会产生向上的升力

8、，机翼模型凸面向下也能“飞”起来就是这个原因。为此，现代飞机的机翼与其自身有一个大约 4的倾角，当飞机从将场起飞时， 机头总是高高抬起形成更大的迎角， 以获得较大的气流冲击效应。气流的冲击力在机翼上分解为对飞机的阻力和向上的升力， 飞机的发动机产生的推力克服阻力使飞机前进，向上的升力使飞机腾空而起。机翼迎角的作用换而言之就是改变气流的运动方向，好像把空气向下推，因而空气对机翼产生向上的反作用力，把机翼向上推，产生升力。飞机倒飞表演时总是机头高昂，形成较大的迎角，只要迎角合适，产生的升力照样能使飞机在空中飞行。三、对教材中飞机升力表述的建议飞机的升力产生及解释很复杂， 没必要对初中学生作详细的解释，但也不能让学生学过这部分内容后形成错误的观念， 这样不利于以后更深入的学习。 为此，建议初中教材中对这部分内容这样表述：飞机的升力是由机翼的多种因素造成的， 其中飞机机翼横截面的形状是产生升力的原因之一。这样的表述不仅不会让学生对机翼升力产生错误的认识， 而且还能为学生以后在这方面更深入的学习埋下伏笔。参考文献1陈永丽.机翼升力的物理原理分析J.现代物理知识，2010（2） ：20-21.2郭守月，李满兰.怎样更简单地解释飞机（机翼）升力？J.科学中国人，2005（9） ：60-61.收稿日期：2012-07-19作者单位：安徽省阜阳市第十七中学。” 校本研修项目。