“飛機機翼和賽車尾翼”創新模擬實驗設計①

(南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210000)

1 引言

蘇科版物理教材八年級下冊第十章第三節“氣體的壓強”中,有一條重要的實驗結論：流速越大,流體的壓強越小。“探究流速對流體壓強的影響”的活動可以借助有趣的實驗開展,新鮮感強,學生的參與度較高。

在教材的“生活·物理·社會”欄目中,介紹了飛機的升力,既呼應了教材對該知識的引入,又體現了“從生活走向物理,從物理走向社會”“注意學科滲透,關心科技發展”等課程基本理念。如何讓學生通過實驗，切身體會到飛機獲得的升力與機翼的形狀有關呢？筆者設計了簡單易操作的創新實驗方案,在教學中開展分組實驗,可說明賽車尾翼之作用,教學效果較好。

2 實驗器材與過程

實驗器材為：托盤天平、電吹風，天平的托盤形似賽車尾翼截面,如將托盤倒置,則形似飛機機翼截面。

2.1 模擬飛機機翼

(1)將一側托盤倒扣在托架上,模擬飛機機翼，調節天平平衡；

(2)取出電吹風,讓出風口平行于桌面,對準倒扣的托盤,以保證水平送風時,托盤上下表面都有氣流流過；

(3)實驗現象：被吹的托盤“升起”(圖1)；

圖1

(4)引導學生分析原理：空氣流過凸起的托盤上表面,流速較大,大氣壓強較小,托盤上下的壓強差導致被吹的托盤“升起”。同理，高速飛行的飛機機翼上、下表面存在壓強差，可獲得向上的升力。

2.2 模擬賽車尾翼

(1)將剛才倒扣的托盤恢復,正置在托架上,由于托盤質量和水平桌面均未發生變化,所以不需重新調節天平平衡；

(2)打開電吹風,用同樣的方式向一托盤水平送風；

(3)實驗現象：被吹的托盤“下降”(圖2)；

圖2

(4)引導學生分析原理：空氣流過凸起的下表面時流速較大,大氣壓強較小。同理，翼車尾翼上、下表面存在壓強差，使高速行駛的賽車緊貼賽道,增大了摩擦。

2.3 改變風速,對比現象

(1)使用電吹風時可以調節風速，開低速擋吹托盤時,發現天平指針偏轉角度較小；

(2)開高速擋吹托盤時,發現天平指針偏轉角度較大；

(3)對比上述現象,可以解釋以下現象：飛機需要達到一定的速度才能升空,加速初期速度較小,上下壓力差不足以讓飛機起飛。

3 小結與反思

筆者所在學校有一臺飛機升力模擬器，由鼓風機向飛機模型送風,以產生飛機上升的現象。該器材的缺陷是：只能進行演示實驗,很多學生由于距離和角度的原因,不便觀察,且器材本身較為笨重。

筆者將學校實驗室的兩件簡單器材“拼湊”起來,即可開展分組實驗。這樣既解決了演示實驗觀察不方便、現象不明顯的弊端,也提高了學生的參與度,滿足其主動探究的需求。

在“2020年江蘇省初中物理實驗創新評比暨實驗教學專題研討活動”中,筆者以本套創新組合的教具,向評委以及參會教師進行介紹、展示。在交流過程中,有教師提出：學校的電吹風數量有限,難以分組,可否不使用電吹風,而改讓學生直接用嘴吹？經過現場嘗試發現,直接用嘴吹的效果欠佳。于是我們制作了簡易喇叭口紙筒,從大口吹氣,以小口對托盤送風,且小口捏成垂直于托盤的細長形狀,效果較為理想。

還有教師建議：可以調換教學順序,將該實驗放在“流速越大，流體的壓強越小”教學環節的起始作為引入；或可以安排兩名學生,各吹一只正置的托盤,比一比誰的“吹力”更大,在引入新課的同時,達到活躍課堂氣氛、增強趣味性的效果。