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節飛機為什么能上天的主要內容(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,并給出了適當的修改建議．

1 飛機升力原理分析

1.1 低速翼型的升力來源

質量守恒定律是自然界的基本規律之一,空氣在流動時,也要遵守質量守恒定律.這條定律在空氣動力學中稱為連續性定理．根據連續性定理,單位時間內流過任意截面的空氣質量相等．當空氣低速流動(馬赫數小于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發生了變化,已經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,根據一級近似理論,薄翼型的彎度和厚度部分都不會產生升力,而僅由翼型的迎角產生．[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,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的自然科學．作為基礎教育的教科書應當是知識與嚴謹的象征,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,不利于培養學生的學科核心素養,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,應當敢于質疑,并且教育學生敢于質疑權威和書本．科學史上大量事例表明,不囿于傳統理論和觀念、不迷信權威是科學創造的思想前提,沒有提出科學問題的能力和不畏懼“權威”的質疑精神是不可能做出大貢獻的．