在大学物理力学教学中加强直升机示例作用

吴世永?周鸣宇?王坤?罗家忠

摘?要：根据飞行学员的特点，讨论了在大学物理教学中如何通过直升机的示例作用来加深飞行学员对力学中理想模型和力的理解，并探讨了如何结合直升机的飞行原理来学习动量定理和动量守恒定律。通过让学员参与直接应用物理知识来解释和解决实际问题的过程，提高学员的应用科学知识的能力，提高科学素养。

关键词：力学教学?直升机?力?角动量定理?动量守恒定律

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0175-02

大学物理力学是学员大学阶段接触最早的自然科学，也是衔接中学物理和大学物理的一座桥梁，是和生活现象联系最密切的一部分内容。力学的学习能够有效地训练学员的科学思维，提高其科学素养，而且学好这部分内容对于学员以后继续物理学其他内容的学习具有事半功倍的作用。飞行学员由于其特殊性，其学习基础相对正规本科学员来说普遍偏低，但是他们对飞机往往怀着极大的热忱，对飞机的各种信息关注度极大。在教学中如何充分利用学员的这种热忱，提高他们的学习兴趣和学习效果，是值得院校物理教员探索的一个课题。学员从电视、网络、报纸和杂志对飞机已具有很多感性的认识，但是对飞机的诸多飞行原理并不是很了解，在力学教学中结合飞机的飞行原理来学习物理知识可以极好地提高教学效果。下面以几个典型例子，说明如何在飞行员的大学物理力学教学中加强直升机的示例作用。

1借助直升机示例加深学员对力学中理想模型的理解

在大学物理的力学部分中，需要用到很多理想模型的概念，例如“质点”和“刚体”。理想模型的引入对于物理学的研究是具有非常重要的作用的，可以大大地简化研究方法和数学运算。但是，学员在学习的过程中对理想模型的理解却常常不够直观和准确。这时候，就可以通过多媒体向学员演示，当研究直升机的大距离飞行时，可以看作一个质点；而当研究直升机螺旋桨的运动或者机上人员的运动时，不可以看作质点。当研究螺旋桨和机身转动时，可以把直升机看作一个刚体，而当直升机发射炮弹时，就不能作为刚体来研究，只能看作是质点系或者刚体系了。通过这么直观形象的演示，学员就能初步建立起比较正确的理想模型的概念，进而对以后学习电学方面的“点电荷”等理想模型的理解具有较大帮助。

2通过直升机受力情况分析加深学员对力的理解

对物体进行受力分析是力学中的一个难点，中学时研究物体的受力较为简单，学员主要把几种典型的受力情况记住就行了，但是大学物理研究的是现实中物体的受力，需要考虑的情况较为复杂，学员往往会觉得无所适从。但是，受力分析的正确与否，将直接决定学员能否正确运用牛顿力学解决实际问题。在讲解物体的受力时，结合直升机在不同飞行状态下的受力进行讲解，在学员的脑海中会形成直接、形象的感官认识，可以起到事半功倍的效果。首先，必须有两个物体相互作用才会有力的作用，这两个物体可以是相互接触也可以是不接触的。例如直升机改变运动状态的动力来源是旋转的螺旋桨与接触的空气的相对运动而产生的拉力，而直升机受到的重力是由于地球与直升机之间的万有引力作用，是不需要接触的。其次，物体的运动状态的变化是由物体受到的合力决定的，例如空气与螺旋桨的拉力与重力的合力决定了直升机运动状态的变化。

3角动量定理和角动量守恒定律在直升机中的应用

角动量定理和角动量守恒定律是大学物理刚体力学中的一个重点，也是难点。通过定理讲解，虽然能让学员初步明白什么是角动量以及角动量与力矩之间的关系，但是由于内容相对抽象，中学时也没有学过，故学员的理解有限。在教学中，通过直升机的图片，学员会发现所有的直升机都带有两个螺旋桨，有的是主螺旋桨和一个尾桨，有的是共轴的双螺旋桨，有的是纵向排列的双螺旋桨，由此引发学员思考：为什么直升机必须是双螺旋浆？可以通过带尾桨直升机的动画演示向学员说明角动量定理在解释这个问题的应用。当主螺旋桨旋转，而尾桨不旋转时，会发现直升机的机身会产生一个与主螺旋桨转动方向相反的转动，而且转动速度随着主螺旋桨的转速的增大而增大。当主螺旋桨旋转时，由于空气的阻力作用，主螺旋桨会受到一个与转动方向相反的阻力矩作用，为了保持主螺旋桨的转速不变，直升机机身通过发动机必须给主螺旋桨一个与转动方向相同的动力矩。对于直升机机身和主螺旋桨组成的系统来说，机身给主螺旋桨的动力矩是内力矩，所以主螺旋桨同时会给机身一个大小相等方向相反的力矩作用，导致机身产生一个方向与主螺旋桨转动方向相反的转动，从而使得机身由于转动也受到一个随着转速的增大而增大的空气阻力矩，待机身受到的两力矩平衡后，机身保持匀速转动。由于转速越快受到的空气的阻力矩也越大，导致主螺旋桨转动越快，机身的反向转动也越快。更进一步，也可以用角动量守恒定律来解释，直升机要保持一个稳定的运动状态，对其转轴的角动量必须是一个恒量，也就是角动量是守恒的，由于主螺旋浆的旋转会受到一个与旋转方向相反的阻力矩，如果尾桨不转动，直升机还必须受到一个方向与主螺旋桨阻力矩相反的力矩作用，直升机才能保持角动量守恒，这个力矩就只能通过机身的反向转动从而由空气阻力产生。分析了主螺旋桨和机身的转动情况后，指出，直升机的机身的转动给飞行带来很不利的影响，为了稳定机身，就必须采取其他的方式来获得与主螺旋桨受到的阻力距平衡的力矩，这就需要尾桨的作用。当尾桨旋转时，就会给直升机机身一个沿着尾桨转轴的力，从而产生一个与主螺旋桨施加给机身的阻力矩相平衡的外力矩，机身才能保持稳定。除了尾桨结构，其他的共轴和纵向排列的双螺旋浆结构的原理是一样的，可以让学员自行分析。

4结语

通过在本科飞行员的大学物理力学教学中用直升机作示例，可以大大加强学员的力学概念和定理定律的理解和掌握，并为后续与飞行相关的课程学习打好基础。同时，通过让学员参与直接应用物理知识来解释和解决实际问题的过程，提高学员的应用科学知识的能力，提高科学素养。

参考文献

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