在大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)直升機(jī)示例作用

吳世永?周鳴宇?王坤?羅家忠

摘?要：根據(jù)飛行學(xué)員的特點(diǎn)，討論了在大學(xué)物理教學(xué)中如何通過(guò)直升機(jī)的示例作用來(lái)加深飛行學(xué)員對(duì)力學(xué)中理想模型和力的理解，并探討了如何結(jié)合直升機(jī)的飛行原理來(lái)學(xué)習(xí)動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律。通過(guò)讓學(xué)員參與直接應(yīng)用物理知識(shí)來(lái)解釋和解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，提高學(xué)員的應(yīng)用科學(xué)知識(shí)的能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：力學(xué)教學(xué)?直升機(jī)?力?角動(dòng)量定理?動(dòng)量守恒定律

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）10（a）-0175-02

大學(xué)物理力學(xué)是學(xué)員大學(xué)階段接觸最早的自然科學(xué)，也是銜接中學(xué)物理和大學(xué)物理的一座橋梁，是和生活現(xiàn)象聯(lián)系最密切的一部分內(nèi)容。力學(xué)的學(xué)習(xí)能夠有效地訓(xùn)練學(xué)員的科學(xué)思維，提高其科學(xué)素養(yǎng)，而且學(xué)好這部分內(nèi)容對(duì)于學(xué)員以后繼續(xù)物理學(xué)其他內(nèi)容的學(xué)習(xí)具有事半功倍的作用。飛行學(xué)員由于其特殊性，其學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對(duì)正規(guī)本科學(xué)員來(lái)說(shuō)普遍偏低，但是他們對(duì)飛機(jī)往往懷著極大的熱忱，對(duì)飛機(jī)的各種信息關(guān)注度極大。在教學(xué)中如何充分利用學(xué)員的這種熱忱，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，是值得院校物理教員探索的一個(gè)課題。學(xué)員從電視、網(wǎng)絡(luò)、報(bào)紙和雜志對(duì)飛機(jī)已具有很多感性的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)飛機(jī)的諸多飛行原理并不是很了解，在力學(xué)教學(xué)中結(jié)合飛機(jī)的飛行原理來(lái)學(xué)習(xí)物理知識(shí)可以極好地提高教學(xué)效果。下面以幾個(gè)典型例子，說(shuō)明如何在飛行員的大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)直升機(jī)的示例作用。

1借助直升機(jī)示例加深學(xué)員對(duì)力學(xué)中理想模型的理解

在大學(xué)物理的力學(xué)部分中，需要用到很多理想模型的概念，例如“質(zhì)點(diǎn)”和“剛體”。理想模型的引入對(duì)于物理學(xué)的研究是具有非常重要的作用的，可以大大地簡(jiǎn)化研究方法和數(shù)學(xué)運(yùn)算。但是，學(xué)員在學(xué)習(xí)的過(guò)程中對(duì)理想模型的理解卻常常不夠直觀和準(zhǔn)確。這時(shí)候，就可以通過(guò)多媒體向?qū)W員演示，當(dāng)研究直升機(jī)的大距離飛行時(shí)，可以看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)；而當(dāng)研究直升機(jī)螺旋槳的運(yùn)動(dòng)或者機(jī)上人員的運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可以看作質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)研究螺旋槳和機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以把直升機(jī)看作一個(gè)剛體，而當(dāng)直升機(jī)發(fā)射炮彈時(shí)，就不能作為剛體來(lái)研究，只能看作是質(zhì)點(diǎn)系或者剛體系了。通過(guò)這么直觀形象的演示，學(xué)員就能初步建立起比較正確的理想模型的概念，進(jìn)而對(duì)以后學(xué)習(xí)電學(xué)方面的“點(diǎn)電荷”等理想模型的理解具有較大幫助。

2通過(guò)直升機(jī)受力情況分析加深學(xué)員對(duì)力的理解

對(duì)物體進(jìn)行受力分析是力學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，中學(xué)時(shí)研究物體的受力較為簡(jiǎn)單，學(xué)員主要把幾種典型的受力情況記住就行了，但是大學(xué)物理研究的是現(xiàn)實(shí)中物體的受力，需要考慮的情況較為復(fù)雜，學(xué)員往往會(huì)覺(jué)得無(wú)所適從。但是，受力分析的正確與否，將直接決定學(xué)員能否正確運(yùn)用牛頓力學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題。在講解物體的受力時(shí)，結(jié)合直升機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的受力進(jìn)行講解，在學(xué)員的腦海中會(huì)形成直接、形象的感官認(rèn)識(shí)，可以起到事半功倍的效果。首先，必須有兩個(gè)物體相互作用才會(huì)有力的作用，這兩個(gè)物體可以是相互接觸也可以是不接觸的。例如直升機(jī)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)力來(lái)源是旋轉(zhuǎn)的螺旋槳與接觸的空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的拉力，而直升機(jī)受到的重力是由于地球與直升機(jī)之間的萬(wàn)有引力作用，是不需要接觸的。其次，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是由物體受到的合力決定的，例如空氣與螺旋槳的拉力與重力的合力決定了直升機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。

3角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律在直升機(jī)中的應(yīng)用

角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律是大學(xué)物理剛體力學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。通過(guò)定理講解，雖然能讓學(xué)員初步明白什么是角動(dòng)量以及角動(dòng)量與力矩之間的關(guān)系，但是由于內(nèi)容相對(duì)抽象，中學(xué)時(shí)也沒(méi)有學(xué)過(guò)，故學(xué)員的理解有限。在教學(xué)中，通過(guò)直升機(jī)的圖片，學(xué)員會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的直升機(jī)都帶有兩個(gè)螺旋槳，有的是主螺旋槳和一個(gè)尾槳，有的是共軸的雙螺旋槳，有的是縱向排列的雙螺旋槳，由此引發(fā)學(xué)員思考：為什么直升機(jī)必須是雙螺旋漿？可以通過(guò)帶尾槳直升機(jī)的動(dòng)畫(huà)演示向?qū)W員說(shuō)明角動(dòng)量定理在解釋這個(gè)問(wèn)題的應(yīng)用。當(dāng)主螺旋槳旋轉(zhuǎn)，而尾槳不旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)直升機(jī)的機(jī)身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與主螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨著主螺旋槳的轉(zhuǎn)速的增大而增大。當(dāng)主螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于空氣的阻力作用，主螺旋槳會(huì)受到一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的阻力矩作用，為了保持主螺旋槳的轉(zhuǎn)速不變，直升機(jī)機(jī)身通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)必須給主螺旋槳一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同的動(dòng)力矩。對(duì)于直升機(jī)機(jī)身和主螺旋槳組成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，機(jī)身給主螺旋槳的動(dòng)力矩是內(nèi)力矩，所以主螺旋槳同時(shí)會(huì)給機(jī)身一個(gè)大小相等方向相反的力矩作用，導(dǎo)致機(jī)身產(chǎn)生一個(gè)方向與主螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得機(jī)身由于轉(zhuǎn)動(dòng)也受到一個(gè)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大的空氣阻力矩，待機(jī)身受到的兩力矩平衡后，機(jī)身保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)速越快受到的空氣的阻力矩也越大，導(dǎo)致主螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)越快，機(jī)身的反向轉(zhuǎn)動(dòng)也越快。更進(jìn)一步，也可以用角動(dòng)量守恒定律來(lái)解釋?zhuān)鄙龣C(jī)要保持一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量必須是一個(gè)恒量，也就是角動(dòng)量是守恒的，由于主螺旋漿的旋轉(zhuǎn)會(huì)受到一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的阻力矩，如果尾槳不轉(zhuǎn)動(dòng)，直升機(jī)還必須受到一個(gè)方向與主螺旋槳阻力矩相反的力矩作用，直升機(jī)才能保持角動(dòng)量守恒，這個(gè)力矩就只能通過(guò)機(jī)身的反向轉(zhuǎn)動(dòng)從而由空氣阻力產(chǎn)生。分析了主螺旋槳和機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)情況后，指出，直升機(jī)的機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)給飛行帶來(lái)很不利的影響，為了穩(wěn)定機(jī)身，就必須采取其他的方式來(lái)獲得與主螺旋槳受到的阻力距平衡的力矩，這就需要尾槳的作用。當(dāng)尾槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)給直升機(jī)機(jī)身一個(gè)沿著尾槳轉(zhuǎn)軸的力，從而產(chǎn)生一個(gè)與主螺旋槳施加給機(jī)身的阻力矩相平衡的外力矩，機(jī)身才能保持穩(wěn)定。除了尾槳結(jié)構(gòu)，其他的共軸和縱向排列的雙螺旋漿結(jié)構(gòu)的原理是一樣的，可以讓學(xué)員自行分析。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在本科飛行員的大學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中用直升機(jī)作示例，可以大大加強(qiáng)學(xué)員的力學(xué)概念和定理定律的理解和掌握，并為后續(xù)與飛行相關(guān)的課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)讓學(xué)員參與直接應(yīng)用物理知識(shí)來(lái)解釋和解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，提高學(xué)員的應(yīng)用科學(xué)知識(shí)的能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。

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