实践：制作能升空的飞机模型 2024-2025学年沪科版八年级全一册物理

实践 制作能升空的飞机模型 【问题缘起】 无论是中国的“万户飞天”典故，还是莱特兄弟试飞第一架飞机，都体现了人类飞向天空的梦想。你有飞天的梦想吗？ 将来的飞天梦，要靠知识和能力来实现。现在我们通过实践活动，来制作能升空的飞机模型，探究机翼的升力与哪些因素有关。 活动主题 制作能升空的飞机模型 活动时间 活动地点 参加人员 活动内容 1.了解人类对飞行的探索历程及飞行原理； 2.收集飞机模型制作方案，确定制作方案； 3.制作飞机模型。 活动过程 任务一 ： 查阅资料，了解人类对飞行的探索历程及飞行原理 人类对飞行的探索历程可以追溯到古代，以下是按时间排序的一些重要的里程碑及飞行原理分析： 1.古代飞行探索：古代人通过观察鸟类的飞行，尝试发明了各种飞行器，如风筝。风筝作为人类最早的飞行器之一，对航空业的发展产生了一定的影响。 2. 早期飞行试验：如中国的孔明灯，18世纪末，法国人成功完成载人热气球实验，以及后来的飞艇等。 飞行原理：孔明灯和热气球的飞行原理相同，都是利用了浮力原理。具体来说，当孔明灯或热气球内部的空气被加热后，空气的体积会膨胀，密度会减小，从而使孔明灯或热气球的整体重量变轻。当浮力大于重力时，孔明灯或热气球就会上升。 3. 滑翔机的发明：19世纪末，德国工程师奥托·李林塔尔设计并试飞了滑翔机，证明了人类可以利用空气动力学原理在空中飞行。 4. 19世纪末，莱特兄弟进行了一系列飞行试验，最终在1903年12月17日操纵“飞行者1号”成功起飞，完成了人类首次载人动力飞行，开创了人类自由飞翔于天空的飞行时代，标志着人类正式进入了航空时代。 5. 直升机的发明：20世纪30年代，伊戈尔·西科斯基设计发明了VS-300直升机，这是世界上第一架真正实用的直升机。 6. 喷气式飞机的出现：20世纪40年代，德国的亨克尔设计了He178单翼机，这是世界上第一架以涡轮喷气发动机为动力的飞机。 7. 超音速飞行：20世纪50年代，美国的X-1火箭试验机首次突破音障，实现了超音速飞行。 8. 太空探索：20世纪60年代，人类开始利用火箭进行太空探索，发射了人造卫星和载人飞船，实现了人类在太空中的飞行。 飞行原理：火箭升空的动力来自于火箭发动机喷射出高速气流所产生的反作用力。火箭发动机内部燃烧燃料（液体燃料如液氢和液氧，或者固体燃料），产生大量高温高压的气体。这些气体以极高的速度从火箭尾部的喷管喷出。根据牛顿第三定律，即相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。当高速气流向后喷出时，就会给火箭一个向前的反作用力，推动火箭升空。 而以上1、3、4、5、6、7项中，基本飞行原理主要是伯努利原理，即机翼的特殊形状和设计。当飞机在空气中运动时，机翼上方的空气流动速度比下方快，导致上方的气压低于下方，从而产生向上的升力。 其他涉及到的飞行原理还包括： （1）推力：飞机的推力由发动机产生，推动飞机向前运动。发动机通过燃烧燃料产生高温高压的气体，向后喷出，从而产生推力。 （2） 控制面：飞机上有各种控制面，如副翼、升降舵和方向舵，用于调整飞机的飞行姿态和方向。通过操纵这些控制面，可以改变飞机的升力和阻力，实现转弯、上升和下降等动作。 （3）稳定性和平衡性：飞机的设计要考虑稳定性和平衡性，以确保飞机在飞行过程中保持稳定。这涉及到飞机的重心、机翼的形状和面积等因素。 任务二 ：收集飞机模型制作方案、视频，确定制作的飞机模型 方案1： （1）材料准备：较厚的泡沫板（例如包装电器用的那种）、橡皮筋（较粗、有弹性的）、一次性筷子、塑料吸管、胶带（或黏合剂）、美工刀或剪刀 （2）制作步骤： ① 用美工刀从泡沫板上切出两个相同大小的机翼形状，机翼的长度约 20 - 25 厘米，宽度约 5 - 7 厘米。在机翼的后端切出一个向上约 30 度的小斜面，以增加飞机的稳定性。 ②切出一个长约 10 - 12 厘米，宽约 7 - 8 厘米的矩形作为飞机的机身。 ③在机身的前端和后端分别切出两个小凹槽，用于安装机翼和尾翼。 ④用一次性筷子制作飞机的主轴。将筷子的一端插入机身前端的凹槽，并用胶带固定。 ⑤ 把机翼安装在机身中部的凹槽处，用胶带固定好。确保机翼与机身保持水平。 ⑥ 制作尾翼。从泡沫板上切出一个小的垂直尾翼和一个水平尾翼，然后安装在机身的尾部，用胶带固定。 ⑦将塑料吸管剪成两段，分别穿过机翼的前端和后端，作为加强和固定机翼的结构。 ⑧ 把橡皮筋在一次性筷子的前端多绕几圈，形成动力装置。 （3）飞行方法：手持飞机机身，将橡皮筋拧紧，然后向前上方抛出飞机，橡皮筋释放的能量会带动螺旋桨转动，从而产生推力，使飞机飞行。 （4）提示：您可以根据实际情况对飞机的形状和尺寸进行调整，以达到更好的飞行效果。在制作和飞行过程中请注意安全。 方案2：见视频飞机模型制作1 方案3：见视频飞机模型制作2 方案4：在经家长知晓并同意条件下，网购材料，手工制作 （附购买链接： https://m.tb.cn/h.gSvqZv09isqTfzE?tk=mrWs3boGMS1 CZ0012  「电动飞机玩具儿童泡沫小飞机航模模型拼装手抛充电户外战斗滑翔机」） 点击链接直接打开 或者 淘宝搜索直接打开 任务三：制作飞机模型 1.飞机模型制作 （1）方案选择：综合考虑制作效果、制作难度，我们采用网购材料包制作的方案，即上面方案4的制作方法。 （2）受到材料包后，先根据说明书检查材料是否完整，然后根据说明书小新制作。制作效果如下图： （3）试飞效果如视频： 2.利用模型探究升力大小与哪些因素有关 （1）观察机翼形状，结合物理学习可知，机翼形状，包括机翼的剖面形状（翼型）、机翼的弯度、机翼的面积、机翼表面的光滑程度等会影响升力大小。一般来说，较厚、弯度较大且面积较大、表面光滑的机翼能产生更大的升力。 2. 根据飞机起飞需要加速助跑，结合物理学习分析，飞行速度会影响升力大小：飞行速度越快，流经机翼表面的气流速度也越快，产生的升力就越大。 3. 模型的重量：模型越轻，相对相同的升力条件下，更容易实现飞行。 交流评估：举办飞机模型飞行表演赛 时间 周五下午活动课 地点 学校操场 参加人员 各航模小组、老师 比赛规则 由各航模小组自由展示，最多三次机会，记录飞行时间和飞行距离两项数据；时间超过3min和距离超过150m的记为并列最好，不再超时间和超距离继续比赛。 记录数据表格 组别 第一次 第二次 第三次 时间 距离 时间 距离 时间 距离 飞鹰组 …… 【实践应用】 1．2021年4月19日，“机智号”电动直升机在火星地表首飞成功，如下图所示。若以5m/s的速度匀速上升、在空中悬停、以2m/s的速度匀速下降这三个阶段，“机智号”旋翼受到的升力分别为F1、F2、F3，不计机身受到的火星气体阻力，则（　A　）    A．F1=F2=F3 B．F1>F3>F2 C．F1>F2>F3 D．F1<F2<F3 2．武直-10是中国人民解放军第一种专业武装直升机和亚洲各国第一种自研专业武装直升机，结束了中国人民解放军陆军航空兵长期依赖通用直升机改型兼当武装直升机的历史，大大提高了中国人民解放军陆军航空兵的航空突击与反装甲能力。如图所示，悬停在空中的武直-10，受到向上的升力，这个力的施力物体是（　B　） A．螺旋桨 B．空气 C．地球 D．发动机 3．某科技馆内有一个风洞实验室。如图所示，一架飞机模型固定在测力计的秤盘上，当有风对着机头吹过时，测力计的示数会发生变化。这是因为风吹过飞机时，机翼上方空气的流速 大于 机翼下方空气的流速，使得机翼上方空气的压强 小于 （前两空均选填“大于”“小于”或“等于”）机翼下方空气的压强，从而产生一个向上的升力；如果无风时测力计的示数为30N，有风吹过时测力计的示数是10N，那么产生的升力是 10 N。 4．2024年5月23日，东部战区宣布位台湾岛周边开展“联合利剑—2024A”演习。同天，东部战区发布J-20图片海报《越海杀器》（左图）震慑“台独”，维护国家统一。如右图所示为J-20起飞升空时原理图，机翼上方气流的流速比机翼下方的 大 （选填“大”或“小”），F1 < F2（选填“>”“<”或“=”）。 5．图甲是国产大飞机C919，其机身大规模使用完全国产化的第三代铝锂合金，使飞机构件重量显著减轻，主要是利用了第三代铝锂合金密度 小 的特点；飞机机翼设计成如图乙所示形状，是利用在气体流速较大的位置压强较 小 的原理，从而使机翼上、下表面产生压强差，为飞机提供升力。（选填“大”或“小”） 6．如图所示是人与鸟“比翼齐飞”的情景，滑翔机的机翼与鸟的翅膀结构类似，都是上表面凸起，下表面平直。滑翔机在滑翔的过程中，上表面比下表面的空气流速 大 ，压强 小 ，在压强差的作用下产生向上的升力。 7．小明同学在放风筝时发现，风筝总是迎风飞行，并和水平的气流方向形成一个夹角，即飞行的迎角，他对风筝飞行时所获得的竖直向上的升力FL与哪些因素有关提出了猜想： 猜想1：放风筝时风速的大小； 猜想2：放风筝时风筝的飞行的迎角； 猜想3：所选风筝的面积大小。 （1）图甲中风筝静止在空中，风向为水平 向左 （选填“向左”或“向右”），绳子对风筝的拉力和风筝获得的升力是 非平衡力 （选填“平衡力”或“非平衡力”）。 （2）为了研究风筝飞行的升力与某因素之间的关系，小明利用风机、升力测力计、平纸板做长方形的风筝模型按图乙方式进行如下实验。 a．使风筝模型的迎角为0°，闭合风扇的开关，调节挡位使其风速逐渐增大，记录三次不同风速下模型获得升力的数值。 b．改变迎角大小，使其分别为5°、10°、15°、20°，重复步骤a。 c．处理相关数据得到在不同迎角及风速下的升力FL（单位N）数据如表。 0° 5° 10° 15° 20° 风速2m/s的升力/N 0 0.11 0.17 0.20 0.19 风速4m/s的升力/N 0 0.44 0.68 0.80 0.76 风速6m/s的升力/N 0 1.0 1.53 1.81 1.72 ①放风筝的时候，人们常常拉着风筝奔跑，这是采用 增加风速 的方法，增加升力； ②在图丙中描绘出风速为4.0m/s时，升力与迎角的关系图像； ③分析数据可知，迎角小于20°时，在风速和面积一定时，随着迎角的增大，升力 先变大后变小 ； ④小明要继续探究升力与面积的关系，应该控制风速和 迎角和风速 不变，改变风筝面积多次实验。 （3）将风筝模型换为机翼模型，当迎角为时，升力测力计有示数。据此，关于风筝飞行获得的升力大小可能还与哪些因素有关，你的猜想是： 风筝飞行获得的升力大小可能还和风筝的外形有关 。 8．阅读短文，回答问题： 风洞 风洞即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。 风洞种类繁多，如图甲所示为闭口直流式风洞，其主要组成部分为收缩段、试验段、扩散段和动力装置，动力装置包括直流电机和风扇。风扇转动后，将空气吸入风洞中，通过调节电机转速以获得不同的实验段速度，收缩段前装有整流栅，整流栅做成方格状，用来消除气流中的旋涡，气流通过收缩段后，流速增大，这样可使进入试验段的气流较为均匀。试验段截面是方形的，模型放在其中进行试验，扩散段的功能是使试验段后面的气流减速后再排入大气。 因为风洞的控制性佳，可重复性高，现今风洞广泛用于空气动力学工程的测试，譬如结构物的风力荷载和振动，风力发电、防风设施的功效等，一些研究也指出风洞实验之结果与现地风场观测的结果相近。 （1）用图甲所示的风洞做实验，实验模型应放置在 试验 段，风洞工作时，气流的方向向 右 （选填“左”或“右”）； （2）实验时以 气流 为参照物，模型是运动的； （3）将图乙所示的机翼模型固定在台式测力计上并放置于风洞中，测量风洞工作与不工作时，测力计的示数变化，有风时测力计的示数 小于 （选填“大于”、“等于”或“小于”）无风时的； （4）在其它条件不变时，试验段的横截面面积越小，试验段的风速越 大 ； （5）若图乙所示机翼模型在水平风的作用下获得竖直方向的力的大小为F，实验得到F与风速的二次方（v2）关系图像如图丙所示，当风速是原来的2倍时，力F是原来( B ) A．2倍     B．4倍   C．0.5倍    D．0.25倍 学科网（北京）股份有限公司 $$