魏亚军

项目背景

“飞机为什么能起飞？”是很多学生喜欢问的一个问题。同时，航空知识也是很多中小学科技教育的一个方向。在理论讲解飞机升力的原因（上下表面的压强差）的基础上，如果能有一个简单直观的演示仪器，让学生能“看”到这个升力，将会对教学效果有非常大的帮助。由此，引出我研制该装置的想法。

演示仪结构

图1-图3展示了这种演示仪的结构和原理。

固定翼机翼升力演示仪的结构如图1 和图2所示，图3是飞机机翼一定宽度的纵剖截面模型。机翼截面模型内部埋有14根引出的透明连接管，分别标注为1、2A、3A、4A、5A、6A、7A、2B、3B、4B、5B、6B、7B、8。空气通道是由2块有机板中间留有一定距离形成的空腔双隔板提供的。空心圆转管是两端伸出双隔板空腔外的透明圆管，其中段与机翼截面模型固定。在隔板外面转动圆管伸出部分时，可以使隔板内的机翼截面模型转动一定角度。机翼截面模型上部槽管和下部槽管是在机翼截面模型一面上刻出的通气沟槽。连接管是把槽管和连通器连接起来的塑料管道。在整个机翼截面模型里，共有14根槽管出口，在每一根槽管的出口处黏结1根连接管，并全部先按序装插在空心圆转管中，然后从双隔板背面穿出（如图2），与连通器相连。

演示飞机升力

装置工作时，当用吸尘器从演示仪双隔板一边的空气通道吸出气流时，另一边外部的空气会进入双隔板空腔，形成一定速度的稳定气流。当气流从双隔板中穿过机翼截面模型周边变窄的空间时，会因气流经过隔板空腔内的宽度变窄，使流经机翼截面模型上、下表面气流的速度发生变化。根据伯努利原理，机翼截面模型表面上下也会因气流速度变化而引起压强差。这个压强差，可通过与连通器相连的红色液柱的高度差显示出来（如图1）。

探究升力大小

该演示仪可以对升力进行定量计算，引导学生探究不同条件下（如通过空心圆转管改变角度时）机翼升力的变化。

探究不同条件下的升力大小

通过改变吸尘器的功率，可以改变通过整个机翼截面模型的气流速度，从而可以观察在不同的气流速度下（对应飞机飞行的速度）的升力大小。再比如，通过转动空心圆转管调整机翼截面模型的角度时，可观察到随翼角变化时气流压强随速度变化的情景（如图4）。

定量计算升力大小

描绘表征机翼升力的曲线图在隔板下面和盛液槽上面的竖直连通管前竖放1块透明板。先在板面各根连通管红色液柱上升的最高点用笔标记，然后在板面上用平滑曲线将各标记点连成1 幅封闭曲线图（如图5a）。

利用曲线图统计和计算机翼的升力 把透明计数板放在之前绘制的曲线图上，可通过统计封闭曲线图内的格子数，计算封闭图面积。讨论：当机翼上下表面的宽度为一定值时，产生的升力与描出的封闭曲线的面积成正比。

计算机翼升力的准确数据 可通过曲线上各典型实验点的坐标，用MATLAB程序拟合得到用于描述这些点的平滑曲线（如图5a）及其函数表达式，再通过以下2种方法精确得出这个封闭图形的面积。

方法1：通过用计算机程序求积分的办法算出这个面积，从更深层面探究飞机机翼升力产生的奥秘。这个方法需要学生理解微积分或者微分法的思想，以及非常基本的编程基础。

方法2：利用数字图像技术，通过使用诸如Photoshop或者GIMP（开源免费软件）之类的图像处理软件得到封闭曲线图的像素与矩形像素之比（如图5b），然后再利用公式准确算得封闭曲线图形的面积。这种方法原理科学，简单易理解，可以激发学生利用现代科技解决问题的思维。

创新点

装置具有直观性、稳定性和高效性。独特巧妙的仪器设计，可以使机翼升力通过简单的连通器原理得到直观有效的展示。目前已有的机翼升力演示装置给一个气流后机翼就向上飘起来，每次演示要重新制造气流，这对于如科技館等场合使用起来就不太方便。本装置能够让观察者通过连通器液面高度差观察到压强差，不需要不停地操作，大大增加了展示的方便性和稳定性，非常适合在科技馆、展览馆使用。

装置可以定量计算升力的大小，探究在不同条件下的升力。

装置可以启发学生的思维，培养学生的动手能力和分析能力。利用该装置进行定量探究时，学生能体验利用数学和信息技术工具解决科学问题的乐趣，可以作为典型的学科融合的STEM科技教育范例。

专家评语

该项目制作了适合中小学教学的固定翼机翼动态升力演示仪，将空气沿机翼横截面流动所产生的上下压力差通过液面差可视化，能够有效帮助学生客观地学习和理解固定翼机翼升力产生的相关知识。项目选题新颖，具有实质性创新，作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。