机翼“升力”实验的分析与改进

彭叶蒙 吴伟

摘 要：机翼“升力”实验对于学生了解飞机升力产生的原因具有重要的价值.而以往的实验现象不够明显直观，因此提出增大模型尺度、强化对比实验、教师演示实验与学生实验相结合的建议.

关键词：飞机升力;机翼模型;实验改进

文章編号：1008-4134（2019）16-0016    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

基金项目：江苏省教育科学规划项目“构建USR教师发展共同体，促进教师专业发展”（项目编号：J-c/2018/32）.

作者简介：彭叶蒙（1996-） ，女，江西萍乡人，硕士研究生，研究方向：物理教学.

吴伟（1964-），男，上海人，教授，博士，研究方向：物理课程与教学论.

实验教学是物理教学的重要组成部分，是落实物理课程目标、全面提高学生科学素养的重要途径.从实验教学的角度看，物理实验通常包括演示实验和学生实验等 [1].教师演示实验效果的好坏对学生的学习兴趣也有影响.此外，教师应用生活中常见的物品做演示实验，既可以拉近物理学与生活的距离，让学生真正感受到“物理来源于生活”，又可以补充实验课程资源，增强学生的创新意识.同样，学生实验的重要性也不可小觑，在课堂或课后让学生自己动手实验，合作交流并课上展示成果，有利于提高学生对物理的兴趣，培养学生的探究能力和科学态度，从而提高学生的科学素养.

对于流体压强与流速关系这一知识，《义务教育物理课程标准（2011版）》做出了相关说明，要求学生了解流体的压强与流速的关系及其在生活中的应用，以及飞机的升力是怎样产生的[1].初中物理主要是探究一些生活中的实例，每个知识的发现、建立等过程应以实验为基础.现就我国教材关于飞机升力及相关实验的编写情况进行分析，发现不足并提出改进，以求更好的教学效果.

1 教材中关于飞机升力及相关实验的编写情况

为了解我国教材对“飞机的升力是怎样产生的”这个知识点的编写情况，下面从是否加入飞机升力相关实验、飞机升力或机翼模型实验具体内容、实验是教师演示实验还是学生实验这三个角度对人教版、苏科版、上教版等七个版本教材进行统计分析，结果见表1.

由表1可知，除了上教版，其他版本教材与义务教育物理课程标准对“飞机的升力是怎样产生的”这块内容的要求有较高的一致性.从章节分布情况来看，这一知识点在各版本教材第八章至第十一章之间，处于初中知识的中部.相关实验中，绝大部分是以机翼模型来解释飞机的升力，少数用鸟翼模型.由此可见，机翼（鸟翼）模型对于升力的讲解是不可或缺的.而关于实验操作，七种教材中有三种教材对其进行了简单说明，且基本上将该实验作为学生实验，让学生通过动手操作、观察现象促进对飞机升力的理解，实验简单但亦有不足之处.接下来将对原有实验进行分析并提出个人改进意见.

2 机翼“升力”实验内容分析及改进

2.1 原有“升力”实验

沪粤版、人教版和教科版这三种教材中编写了动手制作机翼模型的内容，用的是薄纸.此外，有的教师提出也可用泡沫塑料制作（如图1、图2所示）[2-4].这两种材料密度较小，制成的模型质量较轻，实验效果更好.轨道常用表面光滑的木棍或钢丝，其摩擦系数小，进行实验时，模型与轨道间的摩擦可忽略不计.风力则通常由电风扇或电吹风提供.

实验步骤：在机翼模型中间穿一个大小合适的小孔，将木棍（钢丝）穿过小孔使模型可以自由上下滑动.一只手举着木棍（钢丝）轨道，将机翼模型凸面朝上，使其处于水平状态，另一只手持电吹风调至风力高档对着机翼模型正面吹风，可以看到机翼模型缓缓升起（如图3所示）.将机翼模型倒过来使凸面向下，将电吹风调至风力高档对着机翼模型正面吹风，机翼模型升不起来（如图4所示）.

效果分析：通过两个实验对比，一个上升，一个不上升，来说明机翼外形产生升力.

缺点：若机翼模型在实验中只用一根轨道固定，会使得重心不在轨道处，在上升过程中，吹风时机翼模型在气流冲击力作用下会产生转动[2];机翼模型倒置过来不上升的这个对比实验不够明显直观，若能使其下降，则对比效果更佳.此外，在各版本教材中，相关实验主要以学生实验为主，而在实际教学里，教师将此作为演示实验，仅让学生观察实验现象分析原因，这阻碍了学生实践能力的提高.

因此下面从实验内容和实验方式对飞机升力实验提出改进意见.

2.2 机翼“升力”改进实验

2.2.1 实验内容的改进

实验材料包括两根细钢丝、薄纸、塑料绳、黏土.

制作纸质机翼模型：根据人教版中“流体压强与流速的关系”一节中所给出的图示进行机翼模型制作（如图5所示），对应数据可按比例适当放大使模型易于学生观察.在做好的纸质机翼模型中间穿两个孔，使得重心在两孔之间.孔直径略大于钢丝直径，可减小纸质模型与钢丝之间的摩擦.这种做法已有实践应用（如图6、图7所示）[3，4] .

制作演示支架：以大块黏土作为支架底座，两根细钢丝作为轨道，可使模型重心在轨道中间，更容易平衡.钢丝轨道最上方取一小块黏土进行固定.

为能展示机翼模型倒置时吹风使其下降的现象，设计在轨道顶端和模型之间加一根弹簧，通过弹簧形变以及机翼模型位置改变来观察模型下降.在经过多次实验后，发现电吹风最高档风力作用于纸质机翼模型时，产生的升力较小，无法使一般弹簧发生形变.由于未找到劲度系数合适的弹簧，遂用塑料绳自制了一个弹簧，该弹簧在较小力的作用下能发生明显形变，且在无其他外力的情况下塑料绳较长时间内不会被机翼模型的重力拉直，易于学生观察.

“飞机升力”演示实验步骤：将纸质模型凸起面朝上，沿钢丝轨道上下移动模型，看是否能自由移动.打开电吹风最高档，对着纸质模型正面吹风，此时，可以看到纸质模型缓缓升起.控制电吹风随着纸质模型移动，纸质模型将继续上升.这样，学生可直观地观察到机翼模型上升的过程，但仅由此现象说明机翼模型上凸下平的结构造成上下表面流速不同，而造成飞机上升的话，理由不够充分.既然有“升力”，那反过来，自然也应存在“降力”.

“飞机降力”演示实验步骤：将纸质模型凸起面朝下，用胶布将弹簧一端固定在纸质模型平坦的一面上，弹簧另一端则固定在支架上方（如图8所示）.由于纸质模型自身重力，此時弹簧已经发生形变.对纸质模型施加一个向下的力，这时模型向下运动，弹簧形变程度更大（如图9所示）.将力撤去，纸质模型回到最初平衡位置.打开电吹风最高档，对纸质模型正面吹风，此时，可以观察到纸质模型缓缓下降，弹簧发生形变.控制电吹风随着纸质模型移动，模型将继续下降，弹簧形变程度也更大（如图10所示）.

以上两个实验现象形成明显对比，更利于学生分析理解升力产生原因.

2.2.2 实验方式的改进

《义务教育物理课程标准（2011版）》强调学生的主体地位，注重学生各方面能力的培养，因此，关于飞机升力实验方式，可将演示实验与学生实验相结合.教师先在课堂上演示“升力”实验和“降力”实验，演示实验过程直观，便于学生观察现象.通过对两个演示实验的比较，可引导学生观察机翼模型的结构是“上凸下平”的，并且，当电吹风对着模型正面吹风时，机翼模型总是朝着凸起的一面运动.教师再进一步引导学生分析机翼凸面和平面空气流速大小的关系，得出凸面空气流速大于平面空气流速的结论，再根据流体压强与流速的关系，说明“飞机升力（降力）”产生的原因.演示实验让学生经历观察、思考和分析物理现象的过程，而学生实验可以让学生经历实践、探究的过程，课堂上教师留给学生进行实验的时间不多，学生也需要足够的时间动手思考，因此，学生实验可以课后作业的形式进行.教师在讲授完飞机升力后拓展飞机机翼的逆运用，多媒体展示赛车形状与机翼，对比发现两者十分类似.之后提出问题：赛车也是上凸下平的形状，行驶在路面上时却不会被吹起，这是为什么？让学生在课后仿照课上实验进行探究并查找相关资料.橡皮泥、铁丝（木棍）、纸（泡沫）这些实验器材在生活中很常见，取材方便，不会给学生带来太大困难;学生可仿照机翼模型制作纸质赛车模型，由于没有具体数据，做出来的赛车模型大小形状便不尽相同;所用风源也由学生决定，可用嘴吹风，或借助吹风机或电风扇.之后学生借助手机或录影机等拍摄记录实验现象，将照片或视频发送给教师.关于赛车如何做到稳定行驶的原因，则让学生网上查找相关资料，记录下来下次课上汇报.教师汇总好学生作品后，在课上展示这些照片视频，与学生一同探究赛车的形状大小、风源对升力的影响.让学生汇报所查资料，说明赛车稳定行驶的原因，气流偏导器的形状，并让学生分享实验过程中所遇困难、解决方法以及心得收获.

如此，不仅能让学生在课上观察到对比明显的实验现象，分析得出实验结论，提高分析问题及解决问题的能力，还能让学生在课下深入体会实验的魅力，提高学生的学习兴趣，在探究中发现其他因素对飞机升力的影响，深入思考，在不知不觉中锻炼学生的探究能力，培养学生的实践能力和创新意识.

3 总结

物理是一门以实验为基础的学科，实验是物理教学中的重要组成部分，好的演示实验在教学中起着非常重要的作用，能够更好地帮助学生在头脑中形成正确的知识观念.但是，好的演示实验也可以留有余地，让学生在课外有更多的时间和空间去探索，让学生经历探索过程，学习科学方法，促进学生科学素养的提高.教师也可以对教材上的实验进行改进创新，不应把教科书当权威，而是根据教学需求做出适当的改进，以促进自身专业素质的发展和物理教学的优化提高.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]贾浦涛.机翼升力实验改进和机翼升力误解[J].中国现代教育装备，2012（20）：25-26.

[3]刘涛.“机翼升力”演示器的改进与制作[J]. 中学物理：初中版，2018，36（08）：30-31.

[4]钱永昌，闪芳芳.整合低成本实验资源，开发精彩物理实验——“流体压强与流速的关系”一节相关的低成本物理实验介绍[J].物理教师，2013，34（12）：48-49.

（收稿日期：2019-04-01）