機(jī)翼“升力”實驗的分析與改進(jìn)

彭葉蒙 吳偉

摘 要：機(jī)翼“升力”實驗對于學(xué)生了解飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因具有重要的價值.而以往的實驗現(xiàn)象不夠明顯直觀，因此提出增大模型尺度、強(qiáng)化對比實驗、教師演示實驗與學(xué)生實驗相結(jié)合的建議.

關(guān)鍵詞：飛機(jī)升力;機(jī)翼模型;實驗改進(jìn)

文章編號：1008-4134（2019）16-0016 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

基金項目：江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃項目“構(gòu)建USR教師發(fā)展共同體，促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展”（項目編號：J-c/2018/32）.

作者簡介：彭葉蒙（1996-） ，女，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué).

吳偉（1964-），男，上海人，教授，博士，研究方向：物理課程與教學(xué)論.

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.從實驗教學(xué)的角度看，物理實驗通常包括演示實驗和學(xué)生實驗等 [1].教師演示實驗效果的好壞對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也有影響.此外，教師應(yīng)用生活中常見的物品做演示實驗，既可以拉近物理學(xué)與生活的距離，讓學(xué)生真正感受到“物理來源于生活”，又可以補(bǔ)充實驗課程資源，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識.同樣，學(xué)生實驗的重要性也不可小覷，在課堂或課后讓學(xué)生自己動手實驗，合作交流并課上展示成果，有利于提高學(xué)生對物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

對于流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系這一知識，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》做出了相關(guān)說明，要求學(xué)生了解流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系及其在生活中的應(yīng)用，以及飛機(jī)的升力是怎樣產(chǎn)生的[1].初中物理主要是探究一些生活中的實例，每個知識的發(fā)現(xiàn)、建立等過程應(yīng)以實驗為基礎(chǔ).現(xiàn)就我國教材關(guān)于飛機(jī)升力及相關(guān)實驗的編寫情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不足并提出改進(jìn)，以求更好的教學(xué)效果.

1 教材中關(guān)于飛機(jī)升力及相關(guān)實驗的編寫情況

為了解我國教材對“飛機(jī)的升力是怎樣產(chǎn)生的”這個知識點的編寫情況，下面從是否加入飛機(jī)升力相關(guān)實驗、飛機(jī)升力或機(jī)翼模型實驗具體內(nèi)容、實驗是教師演示實驗還是學(xué)生實驗這三個角度對人教版、蘇科版、上教版等七個版本教材進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1.

由表1可知，除了上教版，其他版本教材與義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對“飛機(jī)的升力是怎樣產(chǎn)生的”這塊內(nèi)容的要求有較高的一致性.從章節(jié)分布情況來看，這一知識點在各版本教材第八章至第十一章之間，處于初中知識的中部.相關(guān)實驗中，絕大部分是以機(jī)翼模型來解釋飛機(jī)的升力，少數(shù)用鳥翼模型.由此可見，機(jī)翼（鳥翼）模型對于升力的講解是不可或缺的.而關(guān)于實驗操作，七種教材中有三種教材對其進(jìn)行了簡單說明，且基本上將該實驗作為學(xué)生實驗，讓學(xué)生通過動手操作、觀察現(xiàn)象促進(jìn)對飛機(jī)升力的理解，實驗簡單但亦有不足之處.接下來將對原有實驗進(jìn)行分析并提出個人改進(jìn)意見.

2 機(jī)翼“升力”實驗內(nèi)容分析及改進(jìn)

2.1 原有“升力”實驗

滬粵版、人教版和教科版這三種教材中編寫了動手制作機(jī)翼模型的內(nèi)容，用的是薄紙.此外，有的教師提出也可用泡沫塑料制作（如圖1、圖2所示）[2-4].這兩種材料密度較小，制成的模型質(zhì)量較輕，實驗效果更好.軌道常用表面光滑的木棍或鋼絲，其摩擦系數(shù)小，進(jìn)行實驗時，模型與軌道間的摩擦可忽略不計.風(fēng)力則通常由電風(fēng)扇或電吹風(fēng)提供.

實驗步驟：在機(jī)翼模型中間穿一個大小合適的小孔，將木棍（鋼絲）穿過小孔使模型可以自由上下滑動.一只手舉著木棍（鋼絲）軌道，將機(jī)翼模型凸面朝上，使其處于水平狀態(tài)，另一只手持電吹風(fēng)調(diào)至風(fēng)力高檔對著機(jī)翼模型正面吹風(fēng)，可以看到機(jī)翼模型緩緩升起（如圖3所示）.將機(jī)翼模型倒過來使凸面向下，將電吹風(fēng)調(diào)至風(fēng)力高檔對著機(jī)翼模型正面吹風(fēng)，機(jī)翼模型升不起來（如圖4所示）.

效果分析：通過兩個實驗對比，一個上升，一個不上升，來說明機(jī)翼外形產(chǎn)生升力.

缺點：若機(jī)翼模型在實驗中只用一根軌道固定，會使得重心不在軌道處，在上升過程中，吹風(fēng)時機(jī)翼模型在氣流沖擊力作用下會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動[2];機(jī)翼模型倒置過來不上升的這個對比實驗不夠明顯直觀，若能使其下降，則對比效果更佳.此外，在各版本教材中，相關(guān)實驗主要以學(xué)生實驗為主，而在實際教學(xué)里，教師將此作為演示實驗，僅讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象分析原因，這阻礙了學(xué)生實踐能力的提高.

因此下面從實驗內(nèi)容和實驗方式對飛機(jī)升力實驗提出改進(jìn)意見.

2.2 機(jī)翼“升力”改進(jìn)實驗

2.2.1 實驗內(nèi)容的改進(jìn)

實驗材料包括兩根細(xì)鋼絲、薄紙、塑料繩、黏土.

制作紙質(zhì)機(jī)翼模型：根據(jù)人教版中“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”一節(jié)中所給出的圖示進(jìn)行機(jī)翼模型制作（如圖5所示），對應(yīng)數(shù)據(jù)可按比例適當(dāng)放大使模型易于學(xué)生觀察.在做好的紙質(zhì)機(jī)翼模型中間穿兩個孔，使得重心在兩孔之間.孔直徑略大于鋼絲直徑，可減小紙質(zhì)模型與鋼絲之間的摩擦.這種做法已有實踐應(yīng)用（如圖6、圖7所示）[3，4] .

制作演示支架：以大塊黏土作為支架底座，兩根細(xì)鋼絲作為軌道，可使模型重心在軌道中間，更容易平衡.鋼絲軌道最上方取一小塊黏土進(jìn)行固定.

為能展示機(jī)翼模型倒置時吹風(fēng)使其下降的現(xiàn)象，設(shè)計在軌道頂端和模型之間加一根彈簧，通過彈簧形變以及機(jī)翼模型位置改變來觀察模型下降.在經(jīng)過多次實驗后，發(fā)現(xiàn)電吹風(fēng)最高檔風(fēng)力作用于紙質(zhì)機(jī)翼模型時，產(chǎn)生的升力較小，無法使一般彈簧發(fā)生形變.由于未找到勁度系數(shù)合適的彈簧，遂用塑料繩自制了一個彈簧，該彈簧在較小力的作用下能發(fā)生明顯形變，且在無其他外力的情況下塑料繩較長時間內(nèi)不會被機(jī)翼模型的重力拉直，易于學(xué)生觀察.

“飛機(jī)升力”演示實驗步驟：將紙質(zhì)模型凸起面朝上，沿鋼絲軌道上下移動模型，看是否能自由移動.打開電吹風(fēng)最高檔，對著紙質(zhì)模型正面吹風(fēng)，此時，可以看到紙質(zhì)模型緩緩升起.控制電吹風(fēng)隨著紙質(zhì)模型移動，紙質(zhì)模型將繼續(xù)上升.這樣，學(xué)生可直觀地觀察到機(jī)翼模型上升的過程，但僅由此現(xiàn)象說明機(jī)翼模型上凸下平的結(jié)構(gòu)造成上下表面流速不同，而造成飛機(jī)上升的話，理由不夠充分.既然有“升力”，那反過來，自然也應(yīng)存在“降力”.

“飛機(jī)降力”演示實驗步驟：將紙質(zhì)模型凸起面朝下，用膠布將彈簧一端固定在紙質(zhì)模型平坦的一面上，彈簧另一端則固定在支架上方（如圖8所示）.由于紙質(zhì)模型自身重力，此時彈簧已經(jīng)發(fā)生形變.對紙質(zhì)模型施加一個向下的力，這時模型向下運(yùn)動，彈簧形變程度更大（如圖9所示）.將力撤去，紙質(zhì)模型回到最初平衡位置.打開電吹風(fēng)最高檔，對紙質(zhì)模型正面吹風(fēng)，此時，可以觀察到紙質(zhì)模型緩緩下降，彈簧發(fā)生形變.控制電吹風(fēng)隨著紙質(zhì)模型移動，模型將繼續(xù)下降，彈簧形變程度也更大（如圖10所示）.

以上兩個實驗現(xiàn)象形成明顯對比，更利于學(xué)生分析理解升力產(chǎn)生原因.

2.2.2 實驗方式的改進(jìn)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，注重學(xué)生各方面能力的培養(yǎng)，因此，關(guān)于飛機(jī)升力實驗方式，可將演示實驗與學(xué)生實驗相結(jié)合.教師先在課堂上演示“升力”實驗和“降力”實驗，演示實驗過程直觀，便于學(xué)生觀察現(xiàn)象.通過對兩個演示實驗的比較，可引導(dǎo)學(xué)生觀察機(jī)翼模型的結(jié)構(gòu)是“上凸下平”的，并且，當(dāng)電吹風(fēng)對著模型正面吹風(fēng)時，機(jī)翼模型總是朝著凸起的一面運(yùn)動.教師再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析機(jī)翼凸面和平面空氣流速大小的關(guān)系，得出凸面空氣流速大于平面空氣流速的結(jié)論，再根據(jù)流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，說明“飛機(jī)升力（降力）”產(chǎn)生的原因.演示實驗讓學(xué)生經(jīng)歷觀察、思考和分析物理現(xiàn)象的過程，而學(xué)生實驗可以讓學(xué)生經(jīng)歷實踐、探究的過程，課堂上教師留給學(xué)生進(jìn)行實驗的時間不多，學(xué)生也需要足夠的時間動手思考，因此，學(xué)生實驗可以課后作業(yè)的形式進(jìn)行.教師在講授完飛機(jī)升力后拓展飛機(jī)機(jī)翼的逆運(yùn)用，多媒體展示賽車形狀與機(jī)翼，對比發(fā)現(xiàn)兩者十分類似.之后提出問題：賽車也是上凸下平的形狀，行駛在路面上時卻不會被吹起，這是為什么？讓學(xué)生在課后仿照課上實驗進(jìn)行探究并查找相關(guān)資料.橡皮泥、鐵絲（木棍）、紙（泡沫）這些實驗器材在生活中很常見，取材方便，不會給學(xué)生帶來太大困難;學(xué)生可仿照機(jī)翼模型制作紙質(zhì)賽車模型，由于沒有具體數(shù)據(jù)，做出來的賽車模型大小形狀便不盡相同;所用風(fēng)源也由學(xué)生決定，可用嘴吹風(fēng)，或借助吹風(fēng)機(jī)或電風(fēng)扇.之后學(xué)生借助手機(jī)或錄影機(jī)等拍攝記錄實驗現(xiàn)象，將照片或視頻發(fā)送給教師.關(guān)于賽車如何做到穩(wěn)定行駛的原因，則讓學(xué)生網(wǎng)上查找相關(guān)資料，記錄下來下次課上匯報.教師匯總好學(xué)生作品后，在課上展示這些照片視頻，與學(xué)生一同探究賽車的形狀大小、風(fēng)源對升力的影響.讓學(xué)生匯報所查資料，說明賽車穩(wěn)定行駛的原因，氣流偏導(dǎo)器的形狀，并讓學(xué)生分享實驗過程中所遇困難、解決方法以及心得收獲.

如此，不僅能讓學(xué)生在課上觀察到對比明顯的實驗現(xiàn)象，分析得出實驗結(jié)論，提高分析問題及解決問題的能力，還能讓學(xué)生在課下深入體會實驗的魅力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在探究中發(fā)現(xiàn)其他因素對飛機(jī)升力的影響，深入思考，在不知不覺中鍛煉學(xué)生的探究能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識.

3 總結(jié)

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗是物理教學(xué)中的重要組成部分，好的演示實驗在教學(xué)中起著非常重要的作用，能夠更好地幫助學(xué)生在頭腦中形成正確的知識觀念.但是，好的演示實驗也可以留有余地，讓學(xué)生在課外有更多的時間和空間去探索，讓學(xué)生經(jīng)歷探索過程，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高.教師也可以對教材上的實驗進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，不應(yīng)把教科書當(dāng)權(quán)威，而是根據(jù)教學(xué)需求做出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以促進(jìn)自身專業(yè)素質(zhì)的發(fā)展和物理教學(xué)的優(yōu)化提高.

參考文獻(xiàn)：

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[4]錢永昌，閃芳芳.整合低成本實驗資源，開發(fā)精彩物理實驗——“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”一節(jié)相關(guān)的低成本物理實驗介紹[J].物理教師，2013，34（12）：48-49.

（收稿日期：2019-04-01）