應(yīng)用理論模型剖析物理規(guī)律教學(xué)矛盾點

王昕波

摘要：教師在進(jìn)行“流體壓強”的教學(xué)時，通常會發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在對于流體壓強與空氣阻力之間關(guān)系辨別不清的情況.本文將主要將從分析產(chǎn)生問題的原因入手，借助初中生能理解的流體微團碰撞思路，尋找一種既能適合中學(xué)生認(rèn)知需求也能讓學(xué)生了解流體力學(xué)知識內(nèi)涵的方案，并利用此方案系統(tǒng)介紹并解釋飛機機翼產(chǎn)生升力的原理，從而在教學(xué)過程中有效幫助學(xué)生解決這一問題.

關(guān)鍵詞：空氣阻力 流體阻力 流體壓強

流體力學(xué)是人類在長期的生產(chǎn)實踐中通過同自然界不斷斗爭逐步發(fā)展起來的.早在幾千年前，勞動人民為了生存，就已經(jīng)積累了很多關(guān)于修水利、除水害，以及農(nóng)業(yè)灌溉、治河防洪等方面的經(jīng)驗.但這些也僅僅是人類對客觀世界直觀的定性認(rèn)識，還未上升為理論.17世紀(jì)帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念，牛頓發(fā)明了微積分并在他的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出黏性流體的剪應(yīng)力公式，后來歐拉方程和伯努利方程的建立，才真正標(biāo)志著流體動力學(xué)作為一個分支學(xué)科的建立.

初高中教材在流體教學(xué)中涉及面及深度都沒有過多過廣地展開，以至于在很多情況下，即使中學(xué)時代曾經(jīng)學(xué)習(xí)過流體壓強的知識，但學(xué)生對于一般的流體仍然沒有明確的認(rèn)識.蘇科版教材“流體壓強”課堂教學(xué)，通常是從三個課堂活動展開的，分別是紙條上方水平吹氣，紙條向上飄起;懸掛氣球側(cè)方吹氣，氣球向氣流方向靠近;水平放置的硬幣上方吹氣，硬幣翻起.通過這三種實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生理解“流動空氣流速大壓強變小”.但在實際操作中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：在紙條下方水平吹氣依然可以使紙條水平飄起;正對懸掛氣球吹氣，氣球流速大反而會遠(yuǎn)離原來位置;從水平放置的硬幣下方空隙吹氣，也可以使硬幣翻起.通過上述實例情境得到的結(jié)論是吹氣速度越大產(chǎn)生在表面的壓強也越大，與流體壓強和流速關(guān)系相違背.為什么會出現(xiàn)這樣矛盾觀點的實驗現(xiàn)象呢？是什么原因?qū)е聦嶒灛F(xiàn)象與物理規(guī)律不相符呢？

一、分析產(chǎn)生兩種截然相反的結(jié)論的原因

中學(xué)物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.物理教學(xué)活動多以生活中常見的現(xiàn)象開始，再通過學(xué)生動手操作實驗和演示實驗，使學(xué)生在掌握知識的同時提高動手操作能力和探究能力.在進(jìn)行“流體壓強與流速關(guān)系”的教學(xué)過程中，如果學(xué)生在實驗過程中沒有充分抓住流體壓強的本質(zhì)，就會出現(xiàn)兩次實驗現(xiàn)象相同，但用相同的原理剖析得到的結(jié)論卻是相悖的情況，這就說明用來解釋兩次實驗的原理是不同的.

其實學(xué)生認(rèn)識物理往往是通過身邊的現(xiàn)象自然產(chǎn)生的感覺，像騎車、吹風(fēng)機、電扇，當(dāng)速度很快時，臉部和體感都受到了較大的壓力而說明壓強變大了.而物理教材中的流體壓強具體指向，以及學(xué)生對空氣阻力、流體阻力和流體壓強的概念混淆是導(dǎo)致這樣情況出現(xiàn)的主要原因.

二、對課堂中流體教學(xué)提出新的想法

1.流體的定義.

要弄清楚上述問題首先需要明確的是流體是如何定義的.氣體和液體的力學(xué)性質(zhì)在類似的條件下是相同的，因此它們在外力和內(nèi)部彈力作用下的運動問題可以用同樣的運動規(guī)律來研究.流體和固體最大的不同之處就在于對外形的改變沒有抵抗，這種特性就叫流體的流動性，我們把氣體和液體統(tǒng)稱流體.如果在研究流體運動的問題時，其可壓縮和黏性都處于極為次要的地位，就可以把它當(dāng)作理想流體.

2.阻力.

物體在流場中受到的流動方向上的流體作用力稱為阻力.流線形物體的阻力只有摩擦阻力，鈍形物體的阻力包括摩擦阻力和壓差阻力兩部分.鈍形物體的壓差阻力往往遠(yuǎn)大于摩擦阻力，壓差阻力的大小取決于壁面邊界層分離點的位置，分離點位置一般與物體形狀有關(guān)，物體形狀對壓差阻力也有很大的作用.把一塊圓形的平板，垂直放在氣流中，它的前后會形成很大的壓差阻力.平板后面會產(chǎn)生大量的渦流，而造成氣流分離現(xiàn)象.如果在圓形平板的前面加上一個圓錐體，它的迎風(fēng)面積并沒有改變，但形狀卻變了.平板前面的高壓區(qū)，這時被圓錐體填滿了.氣流可以平滑地流過，壓強不會急劇升高，顯然這時平板后面仍有氣流分離，低壓區(qū)仍然存在，但是前后的壓強差卻大為減少.

流體壓強是指流體隨流速的大小變化后流體側(cè)面的壓強變化，是壓差阻力的表現(xiàn).而生活中感到風(fēng)、游泳時感到水對身體的作用力主要說的是迎面作用的碰撞阻力，更多的是研究流體正面的物體受到的流體作用力的問題，可以看出研究對象是明顯不同的.即理想流體中的物體既要受到流體的迎面碰撞力，又要受到流體的壓差阻力.

3.流體微團碰撞解說.

但在初中過度分析兩個力會對整個教學(xué)活動產(chǎn)生不利的影響，如何簡明扼要地讓學(xué)生理解更為恰當(dāng)呢？法國科學(xué)家拉格朗日提出一種研究流體運動的方法，將流體分成許多無窮小流體微團，并追蹤流體微團求出它們各自的運動規(guī)律.了解了流體微團的運動規(guī)律，就掌握了流體的運動情況.

筆者經(jīng)過多年的觀察和研究，發(fā)現(xiàn)理想流體與物體之間的作用力問題可以用經(jīng)典力學(xué)與流體力學(xué)結(jié)合的方法作出解決，得出理想流體與物體之間的作用力為迎面碰撞力與壓差力的合力.

把空氣流體用流體微團加以解釋，流體阻力和流體壓強都可以解釋通，流體微團包括速度、密度、物體與之碰撞的面積三個重要的物理量.對于中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)層面，既不加重學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，同時也為將來的流體學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

（1）迎面碰撞阻力解釋.

物體所受的摩擦阻力和物體在流體前后壓差阻力合起來叫作“迎面阻力”.一個物體，究竟哪一種阻力占主要部分，這要取決于物體的形狀和位置.如果是流線體，那么它的迎面阻力中主要部分是摩擦阻力.流體微團與物體表面產(chǎn)生摩擦從而產(chǎn)生了摩擦阻力.表面越粗糙，與流體微團碰撞的概率越大，摩擦阻力越大.如果形狀遠(yuǎn)離流線體的式樣，摩擦阻力則居次要位置，而迎面碰撞阻力趨近于主要部分.前部向?qū)ε鲎菜俣却?，尾部向?qū)ε鲎菜俣刃?，總體受力是向后的，隨著速度、面積的增大，迎面微團與物體碰撞產(chǎn)生的力就更大，反作用力更強.如果在密度更大的水中就更為明顯.

（2）流體壓強、壓差阻力解釋.

壓強就是微觀粒子與作用面碰撞產(chǎn)生力的作用而產(chǎn)生的.當(dāng)空氣流體微團流過物體表面時，與物體表面迎面碰撞的幾率變小，反作用力變?nèi)趿耍瑝簭娋妥冃×?如果流速變慢后，與物體表面碰撞的幾率變大，宏觀體現(xiàn)出流速變慢了，壓強就變大了.

（3）飛機升力流體微團再解釋.

飛機升力是多個力綜合作用的結(jié)果，其中包括伯努利定理即升力有機翼上面和下面的壓強差產(chǎn)生的;空氣對機翼的反作用力;流線曲率定理即薄翼內(nèi)側(cè)表面的壓強比外側(cè)表面的壓強大.

動力：發(fā)動機對空氣微團向后的作用力從而獲得向前的反作用力，可以解釋直升機、竹蜻蜓飛行的原因.

阻力：空氣微團對飛機截面積上的碰撞力.

升力：上下表面的空氣微團碰撞力差值，當(dāng)飛機機翼出現(xiàn)攻（仰）角后，空氣微團對機翼的碰撞力增大，提供了斜向上的分力，也就進(jìn)一步說明了飛機機身反轉(zhuǎn)仍然可以水平飛行的原因了.也就是說飛機的機翼所提供的升力不是單純性的流體壓力差所致，還包括空氣對飛機的反作用力.再來看飛機如何實現(xiàn)倒飛.因為固定翼飛機的機翼的形狀是不變的，由流速差引起的壓力差的方向是向下的，所以，飛機倒飛的升力只能來自反作用力.通過改變機翼傾斜的角即攻角，使機翼前緣抬高，增大了與流體微團碰撞力，反作用力明顯增大，保持一定的升力.借助這個原理解釋風(fēng)箏、滑翔傘、螺旋槳問題時學(xué)生的思路就明晰了.

三、破解難題的實施策略

1.課堂教學(xué)中應(yīng)注意主要因素與次要因素.

物理學(xué)中，往往一個問題是由多個因素共同決定，其中有的因素對問題的結(jié)果起著主要的作用，而有的因素則起著次要的作用，因此，為了簡化計算和討論，在一定的條件下，有時會將對問題的精確度影響不大的次要因素忽略，而突出主要因素，從而使問題變得簡化.

在教學(xué)中教師要能抓住主要因素并加以說明，忽略次要因素.在具體演示實驗時要集中體現(xiàn)出主要因素，讓學(xué)生在課堂中用明確的實驗現(xiàn)象來掌握流體壓強和流速關(guān)系這一知識點，對于有疑問、能力的同學(xué)在課下要給予充分肯定和鼓勵，并對機翼的升力再進(jìn)一步地闡述，在拓寬學(xué)生視野的同時也能更深層次培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

2.開發(fā)新的實驗器材.

在“流體壓強”一課里，除了采用教材提供的實驗策略，也可以開發(fā)新的實驗器材，并利用開發(fā)的實驗器材充分體現(xiàn)出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，讓次要因素盡可能地減少影響甚至不影響.

以下是筆者開發(fā)出一種簡易教學(xué)器材：流體流速儀.學(xué)生容易參與制作，并非常容易操作，通過控制變量的思路進(jìn)一步感受流體壓強和空氣阻力的區(qū)別.

主要部件：兩個半球形泡沫，廢舊水筆芯兩只，回形針一枚.

安裝步驟：用剪切好的水筆芯如圖連接兩個半球泡沫，中間插入直鐵絲，并將鐵絲插入另一支水筆芯.

實驗過程：

（1）利用吹風(fēng)機從頂部向下吹風(fēng).

流體流過時對凸面和平面產(chǎn)生壓強差，從而使流速儀產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，可以看出此時轉(zhuǎn)動的動力主要來源流體壓強產(chǎn)生的壓力差.

（2）側(cè)向均勻吹風(fēng).

由于平面的阻力大于球面的阻力從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，可以看出此時的轉(zhuǎn)動的動力主要來源空氣阻力.

（3）側(cè)向?qū)芜吳蛎娲碉L(fēng).

無論是對平面還是對球面進(jìn)行單面吹風(fēng)，旋轉(zhuǎn)方向都和風(fēng)向一致，說明轉(zhuǎn)動的主要動力仍然是空氣阻力.

經(jīng)過此探究活動，讓學(xué)生理解由于實際的事物或過程都是非常復(fù)雜的，它往往包含著多方面的特征和多種矛盾，受到多方面的因素牽制，但在一定場合和一定條件下，又必然有一種主要矛盾或主要因素，由它們決定著事物的主要特征和過程的主要運動方式或趨勢，因此，通過對原型的高度抽象和概括建立的理想化的物理模型與原型所不同的是：物理模型所反映的并不是客觀事物（或過程）多樣性的統(tǒng)一，也不是反應(yīng)多方面的屬性，而是反映了客觀事物（或過程）的某種主要屬性或主要運動方式，所以物理模型只是對原型的一種近似的反映.

鑒于此，我們有必要進(jìn)行實驗改進(jìn)與創(chuàng)新的研究，解決教學(xué)中存在的一些問題.

四、結(jié)術(shù)語

近年來，由于對在超高溫、超高壓、極低溫、超真空、超高速、超流動性等條件下流體運動規(guī)律的研究，流體力學(xué)研究的范圍更加擴大了.所以，流體力學(xué)是一門既古老又年輕的科學(xué).在展望未來流體力學(xué)的發(fā)展趨勢中，能源、環(huán)境、交通、生物等方面，流體力學(xué)仍有著極其廣闊的應(yīng)用前景，對于人類、我國的經(jīng)濟建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展的各個方面有著不可忽視的作用.

愛因斯坦說過這樣的話：“全部科學(xué)不外是日常想法的提煉.”如果通過這類問題的啟發(fā)，學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中能更自覺地關(guān)注生活、關(guān)注環(huán)境、關(guān)注自然，并能從中發(fā)現(xiàn)更有價值的問題進(jìn)行研究，其意義就非同一般了！

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