剖析流体的压强与流速的关系

一、课标要求解读

通过实验探究，初步了解流体的压强与流速的关系；简单解释飞机的升力.

“流体的压强与流速的关系”属于“初步了解”的层次，因此同学们学习时可开展简便易行的探究、实践活动，知道“流速越大的位置压强越小”即可，学习的重点要放在探究过程和解释实际问题上.

二、知识梳理

（一）流体的压强与流速的关系

1.取两张白纸，使其平行自然下垂，向两纸中间用力吹气（如图1），可观察到两纸相互靠拢.

没有吹气时，纸的中间和外侧的压强相等，纸在重力的作用下自由下垂.当向中间吹气时，中间的空气流动速度增大，纸相互靠拢，说明两纸中间的压强小于两纸外侧的压强.实验表明气体流动时，流速越大的地方压强越小.

2.打开水龙头，调整出水口处的流速，使水慢慢流过图2所示的玻璃管.

（1）打开阀门A，关闭阀门B，让红色的水流入管径粗细不同的透明玻璃管，当水不流动时，可观察到三只小竖管中的水柱一样高.

（2）打开阀门B，可以看到水流动了，三只小竖管中的水柱高度不再相同.

当水流动时，在相同时间内流过玻璃管的水量肯定是相等的，但由于玻璃管的粗细不同，使得水的流速不同，细管中水的流速快，小竖管内的水柱低，说明细管中水的压强小；粗管中水的流速慢，小竖管内的水柱高，说明粗管中水的压强大.实验表明液体流动时，流速越大的地方，压强越小.

物理学中把具有流动性的液体和气体统称为流体.大量实验表明，流速越大的地方，压强越小.

（二）应用——飞机的升力

如图3所示为机翼的横截面，机翼上部隆起、下部平坦，机翼向右高速运动时，空气相对机翼向左高速运动.空气在机翼前沿A点处分成两部分，一部分从机翼上方经过，另一部分从机翼下方通过，经过机翼后这两部分空气在翼尾B点处会合.相同时间内，从上方流过的空气通过的路程长、速度大；从下方流过的空气通过的路程短、速度慢，于是空气对机翼上方的压强小，对下方的压强大.机翼上下表面所受压力差的方向竖直向上，这个压力差就叫“举力”，又叫飞机获得的“升力”.所以，飞机起飞前要在跑道上加速滑行一段距离，是为了获得较大的升力才能升上高空.与飞机的机翼相似，鸟的翅膀上方也呈弧形，当鸟在空中滑翔时，也会获得升力，不会掉下来.

跑车的车头呈流线型，当跑车跑得太快，车会有什么危险？为什么？（答：由于汽车的上方呈弧形，会受到一个向上的“升力”，从而使车发飘、不稳.）怎样避免这种危险（同学们可联系飞机机翼的原理，用逆向思维的方法来思考）？

三、典型例题分析

流体的压强与流速的关系是近几年中考命题的热点.命题的角度通常以图文的形式设置与流体流速有关的物理情景，要求同学们能从现象中经过因果推理归纳出科学规律.

例1　跑车尾部设计安装了一种“气流偏导器”（扰流板），它的上表面平直，底部呈弧形凸起，相当于一个倒置的翅膀（如图4），这主要是让车在高速行驶时，车轮能较好地抓住地面，试解释其中的奥秘.

解析　跑车高速行驶的过程中，要使车轮较好地抓住地面，需要增大车轮与地面的摩擦力.如果增大跑车行驶过程中对地面的压力，就可以增大摩擦力，便有利于行车的安全.

答案　由于气流偏导器上表面平直，下表面弧形凸起，所以当跑车高速行驶时，流过偏导器上方空气的速度缓慢，压强较大，而流过其下方的空气速度较快，压强较小，这样，偏导器上下方压强产生的压力差形成一个向下的力，从而增加跑车在高速行驶过程中对地面的压力，起到增加摩擦力的作用，达到提高车轮的抓地性能的目的.

点评　解答有关流体现象的问题时，要注意分析物体形状，流速快慢（凸部流速快，窄处流速快），及压力差的方向.

例2　小红把气球悬挂起来，向气球的A侧吹气（如图5所示），会看到气球向

（选填“A”或“B”）侧运动，这是因为气体流速越大的地方，压强越

.

解析　向气球的A侧吹气，球A侧的空气流速变大，压强变小，小于球B侧的大气压，产生了一个向A的压强差，将气球压向A侧.

答案　A　小

点评　解决本题的关键是要明确哪侧的空气流速大，压强小.

例3　利用如图6所示的装水烧杯和两根吸管可以制作一个“口吹喷雾器”.

（1）请你将两根吸管画在装水烧杯的恰当位置，完成“口吹喷雾器”的示意图；

（2）写出“口吹喷雾器”中包含的物理知识？

解析　（1）要完成该题的实验设计，就要明白流体压强与流速的关系及喷雾器的构造原理.我们的设计思路是：①让烧杯中的水能沿一吸管上升离开水面.②将上升的水柱吹散成水珠.（2）“口吹喷雾器”中包含的物理知识很多，其中最主要的一条是“流体压强与流速的关系”，当然其他答案只要合理都可以，但注意一定是属于物理方面的才行.

答案　（1）如图7所示，从横着的吸管左端向管内吹气时，竖放的吸管上端的空气流速快，压强小.由于大气压强的作用，水从烧杯中压入吸管管中并上升.等吸管中的水面露出吸管时，就会被左端来的气流吹散成小水珠.（2）本设计中包含了流体压强与流速的关系、大气压的存在、力的作用效果等方面的知识.

点评　本题的应用性很强，要求同学们熟练掌握流体压强与流速的关系并能学以致用，对同学们的要求较高；另外本题是课本“WWW”一道原题，要求我们平时注重课本上的小制作和小实验，并从中悟出物理原理.

例4　乒乓球前进过程中由于不同的旋转方向会沿不同的径迹运动.运动员用三种不同的击球方法把乒乓球击出，请判断，图8中1、2、3三条径迹哪一种是上旋球（图中沿逆时针方向旋转）的、下旋球（图中沿顺时针方向旋转）的、不转球的.说明你为什么认为上旋球应该沿着你所选的径迹运动.

解析　当乒乓球在空气中向左运动时，周围空气向右流动.当乒乓球边旋转边前进时，它周围除了前述向右流动的气流外，还有随乒乓球旋转的旋转气流.例如，对于上旋球即乒乓球逆时针旋转时，在乒乓球上方，两种气流方向相反，相叠加后流速减小；在乒乓球下方，两种气流方向相同，相叠加后流速增大，如图９所示.这样，就产生一个从流速小处指向流速大处的力，即对乒乓球产生一个自上向下的力，使乒乓球沿弧线迅速下落.

答案　1是上旋球，3是下旋球，2是不旋球.

由于球的转动，周围的空气也随之绕球转动，对于上旋球，由于球的旋转，球上方的空气随之向左运动；但同时球向左运动，则空气相对于球向右运动，空气对于球的两种运动作用相抵，球上方的气流速度比下方的小，所以上方压强大，因此，球受到向下的压力，沿弧线迅速下落.

点评　本题的解题关键是明确由于球的旋转，球带动空气运动，导致球上下方的空气流速不同.其实，乒乓球旋转的种类很多，如上旋、下旋、左侧旋、右侧旋、左侧上旋、左侧下旋、右侧上旋、右侧下旋等（可上网查阅相关资料）.但它们的原理都是相同的，即都利用了“在流体中，流速越大的位置压强越小”的物理知识.同学们，如果你有意识的运用物理原理，加上勤于练习，打出各种旋转强烈的球，让对手措手不及，望球兴叹时，一定有一种成功的喜悦感.