機翼“升力”實驗的分析與改進

彭葉蒙 吳偉

摘 要：機翼“升力”實驗對于學生了解飛機升力產生的原因具有重要的價值.而以往的實驗現象不夠明顯直觀，因此提出增大模型尺度、強化對比實驗、教師演示實驗與學生實驗相結合的建議.

關鍵詞：飛機升力;機翼模型;實驗改進

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

基金項目：江蘇省教育科學規劃項目“構建USR教師發展共同體，促進教師專業發展”（項目編號：J-c/2018/32）.

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

吳偉（1964-），男，上海人，教授，博士，研究方向：物理課程與教學論.

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

對于流體壓強與流速關系這一知識，《義務教育物理課程標準（2011版）》做出了相關說明，要求學生了解流體的壓強與流速的關系及其在生活中的應用，以及飛機的升力是怎樣產生的[1].初中物理主要是探究一些生活中的實例，每個知識的發現、建立等過程應以實驗為基礎.現就我國教材關于飛機升力及相關實驗的編寫情況進行分析，發現不足并提出改進，以求更好的教學效果.

1 教材中關于飛機升力及相關實驗的編寫情況

為了解我國教材對“飛機的升力是怎樣產生的”這個知識點的編寫情況，下面從是否加入飛機升力相關實驗、飛機升力或機翼模型實驗具體內容、實驗是教師演示實驗還是學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行統計分析，結果見表1.

由表1可知，除了上教版，其他版本教材與義務教育物理課程標準對“飛機的升力是怎樣產生的”這塊內容的要求有較高的一致性.從章節分布情況來看，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.相關實驗中，絕大部分是以機翼模型來解釋飛機的升力，少數用鳥翼模型.由此可見，機翼（鳥翼）模型對于升力的講解是不可或缺的.而關于實驗操作，七種教材中有三種教材對其進行了簡單說明，且基本上將該實驗作為學生實驗，讓學生通過動手操作、觀察現象促進對飛機升力的理解，實驗簡單但亦有不足之處.接下來將對原有實驗進行分析并提出個人改進意見.

2 機翼“升力”實驗內容分析及改進

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翼模型的內容，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，其摩擦系數小，進行實驗時，模型與軌道間的摩擦可忽略不計.風力則通常由電風扇或電吹風提供.

實驗步驟：在機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，將機翼模型凸面朝上，使其處于水平狀態，另一只手持電吹風調至風力高檔對著機翼模型正面吹風，可以看到機翼模型緩緩升起（如圖3所示）.將機翼模型倒過來使凸面向下，將電吹風調至風力高檔對著機翼模型正面吹風，機翼模型升不起來（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，來說明機翼外形產生升力.

缺點：若機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，吹風時機翼模型在氣流沖擊力作用下會產生轉動[2];機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，相關實驗主要以學生實驗為主，而在實際教學里，教師將此作為演示實驗，僅讓學生觀察實驗現象分析原因，這阻礙了學生實踐能力的提高.

因此下面從實驗內容和實驗方式對飛機升力實驗提出改進意見.

2.2 機翼“升力”改進實驗

2.2.1 實驗內容的改進

實驗材料包括兩根細鋼絲、薄紙、塑料繩、黏土.

制作紙質機翼模型：根據人教版中“流體壓強與流速的關系”一節中所給出的圖示進行機翼模型制作（如圖5所示），對應數據可按比例適當放大使模型易于學生觀察.在做好的紙質機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，可減小紙質模型與鋼絲之間的摩擦.這種做法已有實踐應用（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行固定.

為能展示機翼模型倒置時吹風使其下降的現象，設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翼模型位置改變來觀察模型下降.在經過多次實驗后，發現電吹風最高檔風力作用于紙質機翼模型時，產生的升力較小，無法使一般彈簧發生形變.由于未找到勁度系數合適的彈簧，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生明顯形變，且在無其他外力的情況下塑料繩較長時間內不會被機翼模型的重力拉直，易于學生觀察.

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

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

以上兩個實驗現象形成明顯對比，更利于學生分析理解升力產生原因.

2.2.2 實驗方式的改進

《義務教育物理課程標準（2011版）》強調學生的主體地位，注重學生各方面能力的培養，因此，關于飛機升力實驗方式，可將演示實驗與學生實驗相結合.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，便于學生觀察現象.通過對兩個演示實驗的比較，可引導學生觀察機翼模型的結構是“上凸下平”的，并且，當電吹風對著模型正面吹風時，機翼模型總是朝著凸起的一面運動.教師再進一步引導學生分析機翼凸面和平面空氣流速大小的關系，得出凸面空氣流速大于平面空氣流速的結論，再根據流體壓強與流速的關系，說明“飛機升力（降力）”產生的原因.演示實驗讓學生經歷觀察、思考和分析物理現象的過程，而學生實驗可以讓學生經歷實踐、探究的過程，課堂上教師留給學生進行實驗的時間不多，學生也需要足夠的時間動手思考，因此，學生實驗可以課后作業的形式進行.教師在講授完飛機升力后拓展飛機機翼的逆運用，多媒體展示賽車形狀與機翼，對比發現兩者十分類似.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？讓學生在課后仿照課上實驗進行探究并查找相關資料.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，不會給學生帶來太大困難;學生可仿照機翼模型制作紙質賽車模型，由于沒有具體數據，做出來的賽車模型大小形狀便不盡相同;所用風源也由學生決定，可用嘴吹風，或借助吹風機或電風扇.之后學生借助手機或錄影機等拍攝記錄實驗現象，將照片或視頻發送給教師.關于賽車如何做到穩定行駛的原因，則讓學生網上查找相關資料，記錄下來下次課上匯報.教師匯總好學生作品后，在課上展示這些照片視頻，與學生一同探究賽車的形狀大小、風源對升力的影響.讓學生匯報所查資料，說明賽車穩定行駛的原因，氣流偏導器的形狀，并讓學生分享實驗過程中所遇困難、解決方法以及心得收獲.

如此，不僅能讓學生在課上觀察到對比明顯的實驗現象，分析得出實驗結論，提高分析問題及解決問題的能力，還能讓學生在課下深入體會實驗的魅力，提高學生的學習興趣，在探究中發現其他因素對飛機升力的影響，深入思考，在不知不覺中鍛煉學生的探究能力，培養學生的實踐能力和創新意識.

3 總結

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗是物理教學中的重要組成部分，好的演示實驗在教學中起著非常重要的作用，能夠更好地幫助學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，讓學生在課外有更多的時間和空間去探索，讓學生經歷探索過程，學習科學方法，促進學生科學素養的提高.教師也可以對教材上的實驗進行改進創新，不應把教科書當權威，而是根據教學需求做出適當的改進，以促進自身專業素質的發展和物理教學的優化提高.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]賈浦濤.機翼升力實驗改進和機翼升力誤解[J].中國現代教育裝備，2012（20）：25-26.

[3]劉濤.“機翼升力”演示器的改進與制作[J]. 中學物理：初中版，2018，36（08）：30-31.

[4]錢永昌，閃芳芳.整合低成本實驗資源，開發精彩物理實驗——“流體壓強與流速的關系”一節相關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）