轮胎升级公式机翼升力实验改进和机翼升力误解

2020年10月8日发(作者：童朝仪)

机翼升力实验改进和机翼升力误解
一、机翼升力实验改进
在教学初中物 理流体压强与流速时，飞机升力作为伯努利原理的应用来分
析，教材一般设计飞机升力实验以增加学生的 感性认识。如人教版教材中，将纸
按照图1甲尺寸剪下，折成图乙形状并用小段胶带固定，就制好了纸质 机翼模型，
MN是固定在机翼前端的细线。把细线拉平绷紧，用嘴对着“机翼”前端的位置用
力 水平吹气，可以看到“机翼”在气流的作用下向上翘起（如图1丙所示）。教材
以此现象说明机翼能产生 升力。笔者在教学中发现，用这种方法产生的效果是“机
翼”产生转动，最后处于水平状态，没有整个” 机翼”从下往上升起的效果。实验
存在的问题有两点：纸机翼模型在实验开始阶段与实际机翼飞行阶段气 流吹击部
位不同。由于拉紧细线后，纸机翼模型自然下垂，刚开始是平直的一面对着吹来
的气流 ，这相当于气流对着实际机翼的下表面向上吹，这显然与实际不相符。纸
机翼模型在实验中由于细线不在 重心处，吹气时在气流冲击力作用下会产生转
动，直到达到平衡状态，而实际机翼在起飞阶段是不会绕着 固定点转动的。
为了使机翼模型在实验中有升起来的感觉，证明机翼的外形会产生升力，将
实验做如下改进：
①使机翼模型在实验中始终处于水平状态，与实际机翼迎气流部位相同。
②固定机翼模型处在 重心处，消除转动效果，并使机翼产生升力后可以上下
移动，产生“飞”的效果。
③引入对比 实验。将机翼模型凸面分别向上向下用气流吹，观察效果，说明
机翼升力与其外形有关，增强说服力。
机翼模型的制作材料首选密度很小的泡沫塑料。取一块长12 cm，宽6 cm，
厚2 cm （具体尺寸要求不用太严格，但厚度不能太薄，否则实验时机翼模型不
易保持水平状态）的泡沫塑料。用 锋利的小刀来回拉动，切割成机翼模型，找出
其重心，再用直径约1 mm的细铁丝用火加热，在重心处沿垂直机翼模型方向扎
一小孔，切一段2 cm长的空塑料笔芯插入小孔，机翼模型就做好了。
实验时，将直径约1 mm的光洁细铁丝插入机翼 模型的小孔中，使它凸起的
一面向上，一只手举着细铁丝使机翼模型处于水平状态，另一只手持电吹风机 对
着机翼模型吹气，可以看到机翼模型缓缓升起，在空中随着气流上下晃动，像飞
机在飞行（如 图2所示）。将机翼模型倒过来凸面向下，用电吹风机吹气，机翼
模型升不起来（如图3所示），说明机 翼的外形会产生升力。
此方法简单易行，即使用嘴吹气，也能产生很好的效果。
二、对机翼升力的误解
1.教材对飞机升力的解释
人教版教材是这样引导学生的： 几十吨重的飞机为什么能够腾空而起？秘密
在于机翼。你观察过飞机的机翼吗？它的截面是什么形状？将 飞机升力产生的焦
点指向机翼的形状。接着这样解释：飞机前进时，机翼与周围的空气发生相对运
动，相当于有气流迎面流过机翼，气流被机翼分成上下两部分，由于机翼横截面
的形状上下不对称，在 相同的时间内，机翼上方气流流过的路程较长，因而速度
较大，它对机翼的压强较小；下方气流通过的路 程较短，因而速度较小，它对机
翼的压强较大。因此在机翼的上下表面存在压强差，这就产生了向上的升 力。在
学生学过这部分知识后，若教师提问：机翼的升力是怎样产生的？学生都认为是

由机翼的形状产生的，甚至许多教师也是这样认为的。实际上这样的观点是不全
面的，会对学生造成误 导，产生这样的原因是由教材的不恰当表述造成的。
2.学生实验中的发现引出的问题
课后 ，好奇心使一些学生反反复复用电吹风机对着机翼模型吹气，发现了无
法解释的现象：当机翼模型的凸面 向下时，用电吹风吹气，机翼模型也能产生升
力“飞”起来（如图4所示）。按照教材的解释，此时产生 的升力方向向下，机翼
模型重力方向也向下，二者的合力向下，机翼模型不会升起来，事实上它却升了< br>起来，显然教材的解释出现了问题。按照教材的说法，也无法解释早期双翼飞机
的平板形机翼是如 何产生升力的。现代许多战斗机机翼是上下对称的菱形，它们
是怎样产生升力的？飞行表演时机腹向上的 倒飞如何解释？显然教材对飞机升
力的解释有一定的片面性，需要改进表述方法。
3.飞机升力的正确解释
飞机在空中飞行时，在竖直方向上受到竖直向上的升力来克服飞机的 重力，
当二者平衡时，飞机才能在空中稳定地飞行。物理学中流体力学定量计算升力的
公式为Y =CySρv2，其中Y为升力，Cy为升力系数，S为机翼的特征面积，ρ为
空气密度，v为空气流体 的速度。升力系数Cy与机翼横截面的形状，气流与机
翼所成的角度（即迎角）等有关。可见在对飞机升 力的贡献中机翼形状只占一部
分，机翼形状所产生的伯努利效应只能解释很小的一部分升力。如果飞机仅 仅根
据“伯努利原理”来飞行，现代的许多战斗机就飞不上天，更无法倒飞表演，而能
飞起来的 飞机机翼形状必须非常“拱起”。实际上，飞机产生升力的一个重要原因
还与气流的冲击角度有关。捏住 纸的上边缘两角，使纸自然下垂，对着纸的上边
缘上方水平吹气，纸会飘起来，这是伯努利效应的结果； 但正对着下垂的纸面水
平吹气，纸也会飘起来，这是气流冲击效应的结果。当气流相对于机翼从前下方< br>以一定的角度吹时，机翼就会产生向上的升力，机翼模型凸面向下也能“飞”起来
就是这个原因。 为此，现代飞机的机翼与其自身有一个大约4°的倾角，当飞机
从将场起飞时，机头总是高高抬起形成更 大的迎角，以获得较大的气流冲击效应。
气流的冲击力在机翼上分解为对飞机的阻力和向上的升力，飞机 的发动机产生的
推力克服阻力使飞机前进，向上的升力使飞机腾空而起。机翼迎角的作用换而言
之就是改变气流的运动方向，好像把空气向下推，因而空气对机翼产生向上的反
作用力，把机翼向上推， 产生升力。飞机倒飞表演时总是机头高昂，形成较大的
迎角，只要迎角合适，产生的升力照样能使飞机在 空中飞行。
三、对教材中飞机升力表述的建议
飞机的升力产生及解释很复杂，没必要对初中 学生作详细的解释，但也不能
让学生学过这部分内容后形成错误的观念，这样不利于以后更深入的学习。 为此，
建议初中教材中对这部分内容这样表述：飞机的升力是由机翼的多种因素造成
的，其中飞 机机翼横截面的形状是产生升力的原因之一。这样的表述不仅不会让
学生对机翼升力产生错误的认识，而 且还能为学生以后在这方面更深入的学习埋
下伏笔。
参考文献
[1]陈永丽.机翼升力的物理原理分析[J].现代物理知识，2010（2）：20-21. [2]郭守月，李满兰.怎样更简单地解释飞机（机翼）升力？[J].科学中国人，
2005（9 ）：60-61.
收稿日期：2012-07-19
作者单位：安徽省阜阳市第十七中学。

”校本研修项目。