對北師大版初中物理教材中飛機升力理論的商榷

任少鐸

(廈門一中海滄分校,福建，廈門 361000)

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

1 飛機升力原理分析

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,空氣在流動時,也要遵守質(zhì)量守恒定律.這條定律在空氣動力學中稱為連續(xù)性定理．根據(jù)連續(xù)性定理,單位時間內(nèi)流過任意截面的空氣質(zhì)量相等．當空氣低速流動(馬赫數(shù)小于0.3)時,可不考慮空氣的壓縮性．此時,當流體流過管道時,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

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

圖2 機翼升力分析

1.2 亞聲速和超聲速翼型的升力來源

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

2 教材的不足和錯誤之處分析

2.1 機翼形狀

課本說機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)實不符合．

實際上機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 部分機翼的截面

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

圖4 超聲速機翼周圍的激波和膨脹波 圖5 部分超音速飛機機翼截面

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翼前是上下對齊的,在通過機翼后仍然是上下對齊的,這樣會誤導大家．師生會誤認為在機翼前方被分開的氣流同時到達機翼后方,并以此得出上表面在相同的時間要通過的路程更大,因此流速大．

事實上,根據(jù)實際升力可以算得,機翼上方的氣流要比機翼下方的氣流更早的到達機翼后方,如圖7所示．[7，8]

圖6 圖7 機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)實不符．

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

圖8 圖9

3 對教材的修改建議

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

圖10 真實的翼型截面

4 結束語

物理學是一門以實驗為基礎的科學,物理學更是一門嚴謹?shù)淖匀豢茖W．作為基礎教育的教科書應當是知識與嚴謹?shù)南笳?課本可以簡化相關理論,但絕不可與事實相違背傳遞錯誤的知識．關于升力的理論如此描述,確實會誤導學生和老師,不利于培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng),起不到教改的作用．

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