师:同学们好,上课前咱们先做个小实验。这是一根软管,还有一堆碎彩纸,如果不借助其他工具,你们能不能让彩纸从管的下方进去,上方出来呢?接下来看老师怎么做。像天女散花一样,是什么神奇的力量把彩纸吸上去的呢?要揭开其中奥秘,我们得先了解流体压强与流速的关系。首先,大家来了解什么是流体,像水和空气这样具有流动性的液体和气体,统称为流体。从前面两节学习我们知道,液体和气体都有压强,那它们在静止时的压强和流动时的压强一样吗?我们通过实验探究。这是两根塑料棒,把乒乓球并排放在上面,如果我向中间吹气,大家仔细观察会发生什么现象?你们猜想一下,乒乓球是会向中间靠拢,还是向两边分开呢?咱们来看一看。向中间靠拢,和你们的猜想一样吗?为什么会出现这样的现象?咱们来分析下原因。向中间吹气,改变了中间空气流动速度,使其增大,出现的现象是乒乓球向中间靠拢,由此可知乒乓球外侧所受大气给它的压力大于内侧压力,进而说明外侧压强也大于内侧压强。空气流动速度增大,压强减小,由此证明空气在流速大的地方压强小。当然,我们不能仅凭一次实验就得出结论,接下来老师再给大家做个实验。
把乒乓球放在漏斗下方,能看到它会掉下来。那如果老师向着漏斗口吹气,乒乓球还会掉下来吗?注意观察,吹气时乒乓球没掉下来,这是什么原因呢?咱们一起分析,向乒乓球上方吹气改变了什么?改变了乒乓球上方空气流动速度,使其增大。出现什么现象?乒乓球没掉下来,这说明它下方所受空气给它的压力大于上方压力,进而说明下方压强大于上方压强。上方空气流动速度增大,压强减小,所以再次证明空气在流速大的地方压强小。好,气体是这样,同为流体的液体是否也如此呢?咱们再看个小实验,水槽里并排放着两只小船,现在老师用针筒向两只小船中间喷射水流,你们猜小船会向中间靠拢还是向两边分开呢?咱们来看,向中间靠拢了,和你们的猜想一致吗?同样分析下原因。
当向中间喷射水流时,中间水流速度增大,出现小船向中间靠拢的现象。由现象可知,船外侧所受水给它的压力大于内侧压力,进而外侧压强大于内侧压强。外侧条件没改变,压强不变,内侧压强变小,内侧水流速度变大,压强变小。所以证明水在流速大的地方压强小。刚才几个实验都是通过物体运动状态改变,分析出受力变化,进而分析出压强变化,从而得到流体压强与流速的关系。
接下来老师再演示一个能直接看出压强变化的实验,这是个大针筒,当老师推动活塞向前,水开始流动时,同学们想一想,是粗管位置水流速度大,还是细管位置水流速度大呢?咱们联想一下,同一条河流,水面宽阔处水流速度缓慢,河道突然变窄,水流就变得湍急。也就是说,越宽阔的地方水流速度越小,越狭窄的地方水流速度越大。所以现在知道,粗管位置水流速度小,细管位置水流速度大。老师在粗管上端开了个小孔,在细管上端开了个同样大小的小孔。现在老师再向前推水,水就会从小孔位置喷射出来,由第二节液体压强知识可知,水压越大,水柱喷得越高,那我们看看是粗管位置喷射得高还是细管位置喷射得高。注意观察,显然粗管位置水柱喷射得高,水压大,细管位置水柱喷射得低,水压小。细管位置水流速度大,水压小,所以再次说明水在流速大的地方压强小。实际上,经过大量实验证明,流体在流速大的地方压强小,在流速小的地方压强大。刚才几个实验我们由现象得出这个结论,现在反过来说,你们能用这个结论解释现象吗?
老师这儿有张长纸条,现在它自由下垂,如果我向着纸条上方吹气,你们觉得纸条会发生什么呢?咱们来看一看,纸条向上飘起,你们能解释这个现象吗?用刚学的结论,老师提示一下,要说清纸条哪个位置空气流速发生变化,进而压强发生什么变化,所以产生什么现象。给你们10秒钟时间。好,停,现在听老师解释。
吹气时纸条上方空气流速变大,压强变小,而下方流速不变,压强不变,因此产生压强差,进而有向上的压力差,所以纸条向上飞起。同学们想一想,如果能始终保持上方流速大,下方流速小,是不是就始终有压强差?也就是说始终有向上的压力差,物体不就飞起来了吗?说到会飞,大家首先想到鸟儿,聪明的鸟儿把翅膀进化得非常完美,充分利用了流体压强与流速的关系。当它在天空飞翔时,始终能保持翅膀上下方空气流动速度不一样,所以始终有压强差,进而有向上的压力差,这样就能在天空翱翔。聪明的人类仿照鸟的翅膀制造出一个庞然大物,是什么呢?飞机。我们来看一段飞机起飞视频,注意观察飞机机翼形状和起飞过程。
飞机机翼形状和鸟的翅膀很类似,是上凸下平的。为什么这样的形状能让飞机飞起来呢?我们来看飞机模型演示仪,这是飞机模型,看它的侧面,是上凸下平的。这是大功率吹风机,可以模拟飞机起飞时的气流,打开开关看看。飞机没动,没升上来,加大风速,大家看,加大风速后升上来了。
老师这儿有个风速仪,可以测飞机翅膀上方和下方的风速。咱们来看,下方风速15.4,上方风速13.2,测出来上方风速大于下方。为什么飞机机翼这样的形状能让上方风速大,下方风速小呢?来看,当飞机前进时,机翼把迎面而来的气流分成上下两部分,气流通过上下方的时间一样,但上方凸起,路程长,流速就大;下方平,路程短,流速就小。这就是为什么机翼上方流速大于下方,因为流速大压强小,流速小压强大,所以在机翼上下方就有压强差,从而形成向上的压力差,这就是飞机的升力。
