应用理论模型剖析物理规律教学矛盾点

    王昕波

    摘要：教师在进行“流体压强”的教学时，通常会发现学生存在对于流体压强与空气阻力之间关系辨别不清的情况.本文将主要将从分析产生问题的原因入手，借助初中生能理解的流体微团碰撞思路，寻找一种既能适合中学生认知需求也能让学生了解流体力学知识内涵的方案，并利用此方案系统介绍并解释飞机机翼产生升力的原理，从而在教学过程中有效帮助学生解决这一问题.

    关键词：空气阻力 流体阻力 流体压强

    流体力学是人類在长期的生产实践中通过同自然界不断斗争逐步发展起来的.早在几千年前，劳动人民为了生存，就已经积累了很多关于修水利、除水害，以及农业灌溉、治河防洪等方面的经验.但这些也仅仅是人类对客观世界直观的定性认识，还未上升为理论.17世纪帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念，牛顿发明了微积分并在他的著作《自然哲学的数学原理》一书中提出黏性流体的剪应力公式，后来欧拉方程和伯努利方程的建立，才真正标志着流体动力学作为一个分支学科的建立.

    初高中教材在流体教学中涉及面及深度都没有过多过广地展开，以至于在很多情况下，即使中学时代曾经学习过流体压强的知识，但学生对于一般的流体仍然没有明确的认识.苏科版教材“流体压强”课堂教学，通常是从三个课堂活动展开的，分别是纸条上方水平吹气，纸条向上飘起;悬挂气球侧方吹气，气球向气流方向靠近;水平放置的硬币上方吹气，硬币翻起.通过这三种实验现象引导学生理解“流动空气流速大压强变小”.但在实际操作中，学生发现：在纸条下方水平吹气依然可以使纸条水平飘起;正对悬挂气球吹气，气球流速大反而会远离原来位置;从水平放置的硬币下方空隙吹气，也可以使硬币翻起.通过上述实例情境得到的结论是吹气速度越大产生在表面的压强也越大，与流体压强和流速关系相违背.为什么会出现这样矛盾观点的实验现象呢？是什么原因导致实验现象与物理规律不相符呢？

    一、分析产生两种截然相反的结论的原因

    中学物理是以实验为基础的学科.物理教学活动多以生活中常见的现象开始，再通过学生动手操作实验和演示实验，使学生在掌握知识的同时提高动手操作能力和探究能力.在进行“流体压强与流速关系”的教学过程中，如果学生在实验过程中没有充分抓住流体压强的本质，就会出现两次实验现象相同，但用相同的原理剖析得到的结论却是相悖的情况，这就说明用来解释两次实验的原理是不同的.

    其实学生认识物理往往是通过身边的现象自然产生的感觉，像骑车、吹风机、电扇，当速度很快时，脸部和体感都受到了较大的压力而说明压强变大了.而物理教材中的流体压强具体指向，以及学生对空气阻力、流体阻力和流体压强的概念混淆是导致这样情况出现的主要原因.

    二、对课堂中流体教学提出新的想法

    1.流体的定义.

    要弄清楚上述问题首先需要明确的是流体是如何定义的.气体和液体的力学性质在类似的条件下是相同的，因此它们在外力和内部弹力作用下的运动问题可以用同样的运动规律来研究.流体和固体最大的不同之处就在于对外形的改变没有抵抗，这种特性就叫流体的流动性，我们把气体和液体统称流体.如果在研究流体运动的问题时，其可压缩和黏性都处于极为次要的地位，就可以把它当作理想流体.

    2.阻力.

    物体在流场中受到的流动方向上的流体作用力称为阻力.流线形物体的阻力只有摩擦阻力，钝形物体的阻力包括摩擦阻力和压差阻力两部分.钝形物体的压差阻力往往远大于摩擦阻力，压差阻力的大小取决于壁面边界层分离点的位置，分离点位置一般与物体形状有关，物体形状对压差阻力也有很大的作用.把一块圆形的平板，垂直放在气流中，它的前后会形成很大的压差阻力.平板后面会产生大量的涡流，而造成气流分离现象.如果在圆形平板的前面加上一个圆锥体，它的迎风面积并没有改变，但形状却变了.平板前面的高压区，这时被圆锥体填满了.气流可以平滑地流过，压强不会急剧升高，显然这时平板后面仍有气流分离，低压区仍然存在，但是前后的压强差却大为减少.

    流体压强是指流体随流速的大小变化后流体侧面的压强变化，是压差阻力的表现.而生活中感到风、游泳时感到水对身体的作用力主要说的是迎面作用的碰撞阻力，更多的是研究流体正面的物体受到的流体作用力的问题，可以看出研究对象是明显不同的.即理想流体中的物体既要受到流体的迎面碰撞力，又要受到流体的压差阻力.

    3.流体微团碰撞解说.

    但在初中过度分析两个力会对整个教学活动产生不利的影响，如何简明扼要地让学生理解更为恰当呢？法国科学家拉格朗日提出一种研究流体运动的方法，将流体分成许多无穷小流体微团，并追踪流体微团求出它们各自的运动规律.了解了流体微团的运动规律，就掌握了流体的运动情况.

    笔者经过多年的观察和研究，发现理想流体与物体之间的作用力问题可以用经典力学与流体力学结合的方法作出解决，得出理想流体与物体之间的作用力为迎面碰撞力与压差力的合力.

    把空气流体用流体微团加以解释，流体阻力和流体压强都可以解释通，流体微团包括速度、密度、物体与之碰撞的面积三个重要的物理量.对于中学生科学素养层面，既不加重学业负担，同时也为将来的流体学习打下基础.

    （1）迎面碰撞阻力解释.

    物体所受的摩擦阻力和物体在流体前后压差阻力合起来叫作“迎面阻力”.一个物体，究竟哪一种阻力占主要部分，这要取决于物体的形状和位置.如果是流线体，那么它的迎面阻力中主要部分是摩擦阻力.流体微团与物体表面产生摩擦从而产生了摩擦阻力.表面越粗糙，与流体微团碰撞的概率越大，摩擦阻力越大.如果形状远离流线体的式样，摩擦阻力则居次要位置，而迎面碰撞阻力趋近于主要部分.前部向对碰撞速度大，尾部向对碰撞速度小，总体受力是向后的，随着速度、面积的增大，迎面微团与物体碰撞产生的力就更大，反作用力更强.如果在密度更大的水中就更为明显.

    （2）流体压强、压差阻力解释.

    压强就是微观粒子与作用面碰撞产生力的作用而产生的.当空气流体微团流过物体表面时，与物体表面迎面碰撞的几率变小，反作用力变弱了，压强就变小了.如果流速变慢后，与物体表面碰撞的几率变大，宏观体现出流速变慢了，压强就变大了.

    （3）飞机升力流体微团再解释.

    飞机升力是多个力综合作用的结果，其中包括伯努利定理即升力有机翼上面和下面的压强差产生的;空气对机翼的反作用力;流线曲率定理即薄翼内侧表面的压强比外侧表面的压强大.

    动力：发动机对空气微团向后的作用力从而获得向前的反作用力，可以解释直升机、竹蜻蜓飞行的原因.

    阻力：空气微团对飞机截面积上的碰撞力.

    升力：上下表面的空气微团碰撞力差值，当飞机机翼出现攻（仰）角后，空气微团对机翼的碰撞力增大，提供了斜向上的分力，也就进一步说明了飞机机身反转仍然可以水平飞行的原因了.也就是说飞机的机翼所提供的升力不是单纯性的流体压力差所致，还包括空气对飞机的反作用力.再来看飞机如何实现倒飞.因为固定翼飞机的机翼的形状是不变的，由流速差引起的压力差的方向是向下的，所以，飞机倒飞的升力只能来自反作用力.通过改变机翼倾斜的角即攻角，使机翼前缘抬高，增大了与流体微团碰撞力，反作用力明显增大，保持一定的升力.借助这个原理解释风筝、滑翔伞、螺旋桨问题时学生的思路就明晰了.

    三、破解难题的实施策略

    1.课堂教学中应注意主要因素与次要因素.

    物理学中，往往一个问题是由多个因素共同决定，其中有的因素对问题的结果起着主要的作用，而有的因素则起着次要的作用，因此，为了简化计算和讨论，在一定的条件下，有时会将对问题的精确度影响不大的次要因素忽略，而突出主要因素，从而使问题变得简化.

    在教学中教师要能抓住主要因素并加以说明，忽略次要因素.在具体演示实验时要集中体现出主要因素，让学生在课堂中用明确的实验现象来掌握流体压强和流速关系这一知识点，对于有疑问、能力的同学在课下要给予充分肯定和鼓励，并对机翼的升力再进一步地阐述，在拓宽学生视野的同时也能更深层次培养学生的科学素养.

    2.开发新的实验器材.

    在“流体压强”一课里，除了采用教材提供的实验策略，也可以开发新的实验器材，并利用开发的实验器材充分体现出本节课的教学内容，让次要因素尽可能地减少影响甚至不影响.

    以下是笔者开发出一种简易教学器材：流体流速仪.学生容易参与制作，并非常容易操作，通过控制变量的思路进一步感受流体压强和空气阻力的区别.

    主要部件：两个半球形泡沫，废旧水笔芯两只，回形针一枚.

    安装步骤：用剪切好的水笔芯如图连接两个半球泡沫，中间插入直铁丝，并将铁丝插入另一支水笔芯.

    实验过程：

    （1）利用吹风机从顶部向下吹风.

    流体流过时对凸面和平面产生压强差，从而使流速仪产生转动，可以看出此时转动的动力主要来源流体压强产生的压力差.

    （2）侧向均匀吹风.

    由于平面的阻力大于球面的阻力从而产生转动，可以看出此时的转动的动力主要来源空气阻力.

    （3）侧向对单边球面吹风.

    无论是对平面还是对球面进行单面吹风，旋转方向都和风向一致，说明转动的主要动力仍然是空气阻力.

    经过此探究活动，让学生理解由于实际的事物或过程都是非常复杂的，它往往包含着多方面的特征和多种矛盾，受到多方面的因素牵制，但在一定场合和一定条件下，又必然有一种主要矛盾或主要因素，由它们决定着事物的主要特征和过程的主要运动方式或趋势，因此，通过对原型的高度抽象和概括建立的理想化的物理模型与原型所不同的是：物理模型所反映的并不是客观事物（或过程）多样性的统一，也不是反应多方面的属性，而是反映了客观事物（或过程）的某种主要属性或主要运动方式，所以物理模型只是对原型的一种近似的反映.

    鉴于此，我们有必要進行实验改进与创新的研究，解决教学中存在的一些问题.

    四、结术语

    近年来，由于对在超高温、超高压、极低温、超真空、超高速、超流动性等条件下流体运动规律的研究，流体力学研究的范围更加扩大了.所以，流体力学是一门既古老又年轻的科学.在展望未来流体力学的发展趋势中，能源、环境、交通、生物等方面，流体力学仍有着极其广阔的应用前景，对于人类、我国的经济建设和社会可持续发展的各个方面有着不可忽视的作用.

    爱因斯坦说过这样的话：“全部科学不外是日常想法的提炼.”如果通过这类问题的启发，学生在今后的学习中能更自觉地关注生活、关注环境、关注自然，并能从中发现更有价值的问题进行研究，其意义就非同一般了！

    参考文献：

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