香蕉球的秘密生活中的流体力学.doc

香蕉球的秘密生活中的流体力学重庆市兼善中学高2005级“香蕉球的秘密生活中的流体力学”课题组课题组成员：唐楠、赵劲、马兰、王玉琳、汪嫔嫔、刘显跃、钟涛、唐前辉、余征、陈元指导老师：王芳一、课题提出的背景在足球赛中，常常可以看到一种奇妙的现象：守门员 眼看对方球员起脚，足球正朝着他的身体方向飞来，当他正要双手扑球时，不料足球突然拐弯了，好像故意躲避守门员，沿着弧线飞进了球门。在我们乘车时，会发现汽车总是后窗紧闭。为什么汽车、飞机的后面及其各个侧面都构成流线型？这是为什么？二 、课题研究的目的、意义我们希望通过对该课题的原理研究来弄清流体力学的一些；熟悉实验过程，了解基本的研究方法 ；培养我们在生活中发现问题、分析问题、解决问题的能力，将书本上的知识与实践结合起来；培养我们团结、协作和创新精神。我们希望通过对该课题的原理研究来弄清流体力学的一些；熟悉实验过程，了解基本的研究方法 ；培养我们在生活中发现问题、分析问题、解决问题的能力，将书本上的知识与实践结合起来；培养我们团结、协作和创新精神。我们希望通过对该课题的原理研究来弄清流体力学的一些；熟悉实验过程，了解基本的研究方法 ；培养我们在生活中发现问题、分析问题、解决问题的能力，将书本上的知识与实践结合起来；培养我们团结、协作和创新精神。三、研究方法v观察法v文献法v实验法v总结报告法四、课题研究过程第一阶段（查找相关资料；三周）第二阶段（准备实验资料；两周）第三阶段（进行实验；一周）第四阶段（总结；二周）第一阶段：查找相关资料液体和气体都具有流动性，总称流体。流体力学研究的是多种力学问题，其中流体处于平衡状态时的规律叫做流体静力学；流体运动时的规律叫做流体运动力学。流体力学研究的是流体的运动规律及流体与流体中物体之间的相互关系。曲线上每一点的切线方向和该处流体质点的运动方向一致，这种曲线叫做流线。液体流动时，速度不同的各层流体之间有摩擦力，也就是说，流体具有粘滞性。不同的流体，粘滞性不同。油类的粘滞性较大，水、酒精的粘滞性较小，气体的粘滞性更小。研究粘滞性较小的流体，在有些情况下可以认为流体没有粘滞性。不可压缩的，没有粘滞性的流体，称为理想流体。流体质点经过空间多点的流速虽然可以不同，但如果空间每一点的流速不随时间而改变，这样的流动就叫做定常流动。空气阻碍物体运动的力叫做气体阻力，也叫空气阻力。气体阻力与这些因素有关:第一、与空气和物体的相对速度有关第二、与物体的正面面积有关第三、与物体的形状有关由于流线体受到阻力最小，形状前面圆，后面尖。所以飞机的机身和机翼都是作成流线型的。伯努利方程p+1/2 v2=常量在流动的流体中，压强跟流速有关，流速v大的地方，压强p小，流速v小的地方，压强p大。例如：两艘并排的船同向行驶，如果速度较大，两船会互相靠近，有相撞的危险。并行的两艘船第二阶段：准备实验资料我们通过组员分工，有的到北碚图书馆查找实验资料，有的上网查找，还有的到学校实验室联系实验仪器，准备了以下四个实验：实验一、吹火焰；实验二：吹不掉的球实验三、模拟“香蕉球”的实验实验四、乒乓球的神奇滑稽动作；第三阶段：进行实验在大量的理论基础上，我们开始着手实验了。实验一：吹火焰实验材料：1支蜡烛、2张硬纸或薄卡片、胶水或回形针（1）点上一支蜡烛；（2）拿一张正方形卡片，放在你的嘴巴和火焰之间吹气；实验现象：蜡烛的火焰朝我们吹（3）观察蜡烛的飘向实验一结论：吹出去的空气和卡片发生碰撞后，激起各种涡流和旋风，结果引起卡片背后空气压力的降低。由于周围的空气总是设法恢复原先的平衡状态，所以就朝空气压力小的地方流动，使烛焰飘向人。实验二：吹不掉的球实验器材：玻璃漏斗、乒乓球（1）、取一只玻璃漏斗，让漏斗喇叭口朝下； （2）、左手拿漏斗，右手在漏斗喇叭口内用手托着一只乒乓球；（3）、用嘴含着漏斗口向下吹气，同时将托乒乓球的右手放开。实验现象：乒乓球在喇叭口下颤动，但却掉不下来。实验二结论：虽然乒乓球有重量，气流对乒乓球也有一定的向下的冲击力，但乒乓球下端空气流动慢，产生的压强远比乒乓球上端流动快的空气产生的压强大得多。这个压强差产生的向上的压力足已托起乒乓球的重量和克服气流向下对乒乓球的正面冲力，即流体“流速快，压强小；流速慢，压强大”。实验三：模拟“香蕉球”的实验实验器材：电动气源、乒乓球(1）将气垫导轨的气管一端接在电动气源上；（2）接通开关，一股很大的气流从管中喷出；（3）将乒乓球放在管口上方，小球就被气流托住悬在空中，然后将管子向右倾斜，让气流从小球的左侧吹过。实验二结论：虽然乒乓球有重量，气流对乒乓球也有一定的向下的冲击力，但乒乓球下端空气流动慢，产生的压强远比乒乓球上端流动快的空气产生的压强大得多。这个压强差产生的向上的压力足已托起乒乓球的重量和克服气流向下对乒乓球的正面冲力，即流体“流速快，压强小；流速慢，压强大”。实验三：模拟“香蕉球”的实验实验器材：电动气源、乒乓球实验步骤：（1）将气垫导轨的气管一端接在电动气源上；（2）接通开关，一股很大的气流从管中喷出；（3）将乒乓球放在管口上方，小球就被气流托住悬在空中，然后将管子向右倾斜，让气流从小球的左侧吹过。实验现象：小球不像我们想象的那样落下来，而是按顺时针方向转动着选在空中。实验三结论：乒乓球旋转时，它两侧气流的流速是不同的。乒乓球旋转方向与气流方向一致的一侧，气流的流速增大，乒乓球这侧受到的压力减小，而同气流方向的另一侧，气体的流速变小，它的压力就增大，于是这两边的压力差，使乒乓球靠向气流而不掉下来。香蕉球的秘密：罚香蕉球的时候，运动员并不是把脚踢中足球的中心，而是稍稍偏向一侧，同时用脚背摩擦足球，使球在空气中前进的同时不断地旋转。这右旋球左旋球时一方面空气迎着球向后流动；另一方面，由于空气与球之间的摩擦，球周围的空气又会被带着一起旋转，这样，球一侧空气的流动速度加快，而另一侧空气的流动速度减慢，由于足球两侧空气流动的速度不一样，它们对足球所产生的压强也不一样，于是足球在空气压力的作用下，被迫向空气流速大的一侧转弯。乒乓球实验四：乒乓球的神奇滑稽动作实验器材：一个乒乓球、胶带、一根线、一个水龙头实验步骤：（1）用胶带把一根线粘在乒乓球上，使乒乓球悬挂在线端；（2）拧开水龙头，让乒乓球吊在线端上淋水；（3）慢慢地把线拉向旁边，观察发生的情况。实验现象：我们以为乒乓球会让水冲到旁边，结果不然。乒乓球仍然停在水流之中。尽管地心吸力（即乒乓球的重力）使它向下，水又往下冲，乒乓球照样不动地让水冲淋着。实验四结论：这是伯努利定律法，液体或气体的运动速度增大，该气体或液体的内压就减小。快速冲淋着的水，它的内压比周围的静止空气的压力小。因此，由于空气压力较大，它就把乒乓球推向压力较小的区域水流里面。五、流体力学在生活的一些应用（1）飞机为什么能飞上天，因为机翼受到向上的升力。机翼横截面的形状上下不对称，机翼上方空气的流线密，流速大；下方的流线疏，流速小。由伯努利方程可知，机翼上方的压强小，下方的压强大。这样就产生了作用在机翼上的向上的升力。（2）乒乓球（其他球类似）周围空气的流线上旋球不旋转球网球台乒乓球的上旋球，转动轴垂直于球飞行的方向且与台面平行，球向图示方向旋转。在相同的条件下，上旋球比不转球的飞行弧线要低。下旋球正好相反，球向图示反方向旋转，受到向上的力，比不转球的飞行弧线要高。不旋转球上旋球收获通过这次研究性课题的开展，和我们收集资料思考讨论问题，动手做实验的过程