基于物理建模深度探究逆风行船的奥秘.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验改进与创新基于物理建模深度探究逆风行船的奥秘王小庆（深圳外国语学校，广东深圳 518106）摘要：借助物理建模深度分析力的合成和力的分解，从中揭开逆风借力所包含的大智慧。受此启发，制作风帆小车，模拟演示帆船逆风前行，一方面能激发学生学习物理的热情，培养学生用物理思维思考问题、用科学观念建立物理模型，另一方面可提升其自我综合素养，从而促使学生进一步探索大自然中存在的未知奥秘。关键词：逆风行船；物理建模；核心素养；风帆小车；风力DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.016物理是一门以实验为基础的学科，绝大多数物理定律都是在大量实验的基础上归纳总结出来的，物理实验对物理学的发展和物理教学都起着极其重要的作用。在课堂上演示好物理实验，可以帮助学生掌握物理实验的探究方法，有助于学生深刻理解物理规律的本质，激发学生学习物理的浓厚兴趣，转变以往被动的知识灌输模式，让学生走向积极、主动的自主性学习，从而实现课堂的高效率。随着科学技术的高速发展，物理实验仪器和实验方案正在发生翻天覆地的变化，依靠当今现代化的实验教学设备，高效课堂逐步迈向创新课堂，创新课堂逐步迈向“智慧课堂”1，最终实现智慧校园的建设目标。很多人都知道并体验过一路顺风的感觉，然而，逆风而上也是常见的事实，其中又有什么物理奥秘呢？笔者对此重点介绍帆船是如何借助风力逆风前行的。1帆船逆风而上隐藏的奥秘为了更好地说明帆船是如何在水中逆风而上的，笔者先做一个小实验，实验装置如图1所示。将一块三角形木块放在水平玻璃上，沿着图1所示的方向给木块施加力，我们可以发现木块没有向右移动，而是向左移动。Fv图1逆水行舟建模如果风是沿着如图1所示力的方向吹来，只要风力足够大，木块也会向左运动，我们可以将图1中的木块看成是水中的帆船。帆船船底吃水较深，当帆船受到的力垂直于船体时，水产生巨大的横向阻力，帆船很难沿着垂直于船体的方向发生运动。首先，分析非顶头风逆风而上的物理原理。如图2-a所示，假设帆船想向东运动，遇到的是东南方向吹来的逆风，此时船体受到的作用力如图2-b所示。东v风帆北a帆船受到东南方向吹来的逆风fF2F1v东帆北Fb帆船受力分析图图2物理建模风是由大量空气分子组成的，据此可以将风看作是由一个个小球构成的，大量的小球沿着风的方向与帆发生碰撞，小球与帆之间产生的弹力方向一定是通过接触点垂直于接触面，故而风给帆的作用力如图2-b中F所示的方向。根据力的作用效果，可以将F分解为沿前进方向和垂直于前进方向的两个分力，即F1和F2，482023 年第7期实验改进与创新其中F1为横向分力，由于水的巨大横向阻力作用，F1=f，因此船体在横向上几乎不会发生运动，帆船所受的合力可以看成是 F2，该力和想要运动的方向相同，是帆船前进的动力。从该物理模型可以得知，帆船在逆风中可以借力前行。掌握了逆风行船的物理原理，接下来分析逆风行船时风帆的方位摆放问题。如图3-a所示，当风从正东方向吹来，而船想要向东北方向行驶时，风帆沿着PQ方位摆放即可。风帆所受的力F的方向如图3-b所示，F与v方向之间的夹角是锐角，故而力F是前进的动力，为帆船前行保驾护航。F风向vQQP风向Pab图3向东北方向运动时风帆沿PQ方位摆放如果帆船在航行时遇到的是当头逆风，即顶头风，帆船还能借力逆风而上吗？答案是肯定的，人类的智慧一定可以将自然的力量为我所用。假设帆船欲向正北方向行驶，风从正北方迎面吹来，此时，为了借到风力，将船头指向东北方向，如图4所示速度方向，风帆设置成如图4-a所示PQ方位，船所受的风力如图4-a中F方向所示，力F与船速v方向之间的夹角为锐角，力F是船前进的动力，帆船将沿着东北方向前行。但是，船的目的地是正北方，如此一来，便会偏离目的地。为了能安全到达目的地，在船向东北方向行驶一段时间后，将船头调整为西北方向，帆的方位不用动即可。顶头风逆风而上的原理是变顶头风为侧斜风，采用迂回路线，实际航线为“之”字形，如图4-b所示。2自制风帆小车模拟演示实验根据史料记载，我国早在战国时期就已经掌握了“船使八面风”的行船技术。为了能在课堂上更好地说明逆风行船的物理奥秘，不妨设计一个风帆小车模拟实验，以增强学生的既视感和创新观念。找一个5 cm15 cm的小车，其他小车也可以，将小车轮子的轴承用润滑油充分润滑，以保证小车可以轻松进退，在小车上面钻一个小孔，该小孔刚好可以插入一根细木棍。根据小车的大小，裁剪一个长方形硬纸片，纸片的大小为8 cm20 cm，做成一只风帆。将该风帆安装在细木棍上，就做成了风帆小车。将风帆小车放在比较光滑的地面上，如图5所示。调整风帆的方位，用电风扇或电吹风机给小车一个侧斜风，此时发现小车可以借助风力向前行驶。这样就可以在课堂上给学生演示逆风而上的物理实验，既增加了物理课堂的探究性和趣味性，又激发了学生学习物理的兴趣和热情。图5风帆小车模型3结语物理是一门以实验为基础的学科。在课堂教学中，如果能用有趣的物理实验激发学生学习的热情，将会极大地提高学生学习物理的积极性和主动性。通过创新实验抓住学生好奇的心理，引导学生进行深度学习，能够培养学生用物理观念建立物理模型的能力，借此解决生活中的实际问题。同时，用科学思维进行实验探究，挖掘大自然的奥秘，可以将智慧转变为力量，提高学生的创新观念和意识，切实落实中学生六大核心素养，达成培养全面发展的、健全的、对社会有用的时代新人的目标。（基金项目：2022年度广东省5G+智慧教育专项研究“基于5G+智慧教育的课例开发及应用研究”）参考文献1 王小庆，代黎娜.真正优化物理实验实现高效物理课堂：探究牛顿第二定律实验装置的改进 J.中学物理教学参考，2015，44（12）：58-59.PFQ帆v风北ab图4顶头风逆风而上的物理原理 49