流体压强压力势能、飞机上升原理.docx

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1、正确理解流体压强、压力势能、飞机上升原理（纠正物理课本中对流体压强的错误观点）现在的初中物理课本中，对于流体速度和压强的关系都是这样表达 的“在流体速度大的地方压强小，在流体速度小的地方压强大”。 我个人认为这个观点和结论是错误的。在航展中飞行表演队的飞机 在做特技飞行表演时，有时把机身反过来也能飞行，不往下落。根 据物理课本上的观点，此时机翼下方空气流动速度大，向上的压强 小于机翼上方向下的压强，飞机应向下落，但事实不是这样，飞机 仍能飞行，说明课本上的结论不对。首先解释一下：什么是压力势能？当物体四周都受到向中间挤压的 压力作用后，物体的体积一定缩小/物体就有了对抗这种变化而要 膨胀做功的

2、本领，我们把这种因物体体积的大小和压强的大小发生 变化而具有的对外做功的本领叫做压力势能。因此压力势能等于 E=pV，压力势能是可转化成机械能的那局部内能（或者说是与机械 能可相互转化的那局部内能），后面有解释。初中物理课本上,有这样一个实验：在一个配有活塞的厚玻璃筒中放一小团硝化 棉，迅速向下压活塞，气体被压缩后，温度升高，压强变大，内能和压力势能都增大。硝化棉就燃烧起来了。 还有内燃机的压缩冲程等；由上面的实验我们得出： 对于实际的气体，压缩气体做功 时，气体的体积缩小，气体温度升高，内能增大，气体的压力势能 和压强就增大。做功的过程就是其他能转化成气体内能和压力势能 的过程。总之对于不流

3、动的气体，我们压缩气体时，气体的压强就 变大；反之气体膨胀，气体的压强就变小。同理：对于流动的气体，要使气体压强变大（使气体的压力势能增 大）也得给气体压力，压缩气体做功，气体的压强就变大。对于流 动的气体，在沿气体运动速度方向的前方，放一个阻挡气体运动的 物体时，在物体前方的气体就被阻挡，气体就被压缩了，气体速度 就变小了，气体的压强就变大了。这个过程是其他物体对气体做功 的过程，所以气体的压力势能和内能都变大，温度升高，压强变大。 因此对于同一个系统内的流动气体，当气体的流动速度变小时，说 明气体被压缩了，其他物体对气体做功了，气体的压力势能和内能 就增大了，温度升高了，压强变大了。原因是

4、；单位体积内的气体 分子个数增加，气体分子的平均动能增大，所以气体的压强变大了。当气体的流动速度变大时，气体压强变小。气体压强变小有两种形 式引起的，一：是气体自身体积膨胀对外做功，气体的压力势能即 内能就减小，温度降低，转化成气体向四周运动的气体本身的动能 或其他物体的动能。原因是：(1)气体膨胀使单位体积内的气体 分子个数减小，气体分子对其他物体碰撞的几率减小；(2)温度 降低，气体分子的平均动能减小，与其他物体碰撞时产生的力变小。由于以上两个原因气体对其他物体的压强减小了。二：气体压强减 小的原因是：其他物体对气体做功，使气体发生了定向运动，使气 体在定向运动方向上的动能增加，由于气体发

5、生了定向运动，气体 分子也跟着发生了定向运动，这样就大大减小了向非速度方向上的 碰撞几率，所以减小了向非气体速度方向上的压强。当气体由不流 动的气体，变成定向运动的流动气体时，向非气体速度方向上的压 强与原来相比一定变小。由于我们生活在地球上，静止的气体分子 向各个方向上的碰撞几率是相等的，因此向各个方向上的压强是相 等的。因此气体分子是否发生定向运动应以地面为参照物。总之：当气体由不流动的气体，变成定向运动的流动气体时，向非 气体速度方向上的压强与原来相比是变小的，在流动的过程中气体 被压缩时，速度变小，气体的压强变大；在流动的过程中，气体膨 胀时，速度变大，压强一定变小。对于液体，可做这样

6、一个实验：在一个玻璃注射器内，我们装入大 量的水和少量空气。封闭注射器的出水孔。把注射器内的水和空气 密闭好后，然后推动注射器活塞压缩气体和水，可见注射器内的气 体体积减小，气体的压强变大，来说明水产生的压强也变大了，因 为此时，气体的压强始终等于水的压强。可见我们给液体压力，压 缩液体做功时，液体的压强也变大，液体的体积也变小；虽然液体 的体积变化很小，但一定有这种变化。正是由于液体的压强变大是 个有限值，液体的体积变化是一个极小的量，所以两者的乘积也是 一个很小很小的量，即我们对液体做的功可以忽略不计，认为没做 功，可认为液体的内能和压力势能也没变化，温度也没变化，但压 强的变化太大了不能

7、忽略。可见对于液体也是：流动的液体速度变小时(液体被压缩)，液体的压强变大。流动的液体，速度变大时, 液体向非速度方向上的压强一定变小。对于流动的气体和液体，我们可总结为：当气体或液体由不流动的 气体或液体，变成定向运动的流动的气体或液体时，向非流体速度 方向上的压强与原来相比是变小的；在流动的过程中，流体被压缩 时，速度变小，流体的压强变大；在流动的过程中，流体膨胀时， 速度变大，压强一定变小。对于流体速度的变化，我们沿流体速度的方向把流体分为前后两部 分，我们把沿速度方向上后面的流体当做参照物，来判断前面的流 体速度的变化。这一结论对于理想流体和粘性流体等任何流体都适用。流动的气体 或液体

8、被压缩时，表现为速度变小；当流动的气体或液体被压缩到 一定程度时，就不能再被压缩了，其速度就不再变小了，速度就保 持不变。这个变化是有一个过程的，因此其速度也是逐渐变小的， 当流体不能继续被压缩时，流体的速度大小也不再变化了，其压强 也不再变化了；因此被压缩的流体压强也是逐渐的变大的，最后不 再变化，这就是边界层理论。反之流体膨胀时，其变化与压缩时相 反。对于气体，我们也可用气态方程来解释：以气体为例，来说明压力 势能是如何变化的。由理想气体状态方程可知，压力势能 E=pV=nRT,一定量的处于平衡态的气体其压强p与体积V和温度T 有关。对气体做功前，没被压缩的气体其压力势能用E=pV=nRT

9、表 示，气体被压缩后的气体的压力势能用E=pV=nRT表示。由于TT , 那么压缩气体做的功W=pVpV=nRTnRT=nR(T-T)0 ,所以气体 的压力势能是增大的。由公式还可推出：nR=pV/T=pV/T,由 pV/T二pV/T 推出 p=TVP/TV,又由于 TT, VV,所以 TV/TV1 ,所以 PP ,所以气体的压强也是增大的。由此得出一个这样的规律，压 缩气体时：压强和压力势能增大，反之相反。对于气体压强可从微观方面，从气体压强产生的原因来解释：1：气 体的压强是由于大量的气体分子频繁地碰撞容器壁而产生的。2 ： 气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。3

10、：影响气体压强大小有三个因素：（1）气体分子的平均动能；从 宏观上看是气体的温度。（2）单位体积内的气体分子数（即分子 的密集程度），从宏观上看是单位体积的气体的物质的量（摩尔 数）。（3）气体分子向某个方向上的碰撞几率的大小。可见压缩气体后气体的温度升高了，气体分子的平均动能增大 了，平均单个分子对器壁碰撞产生的力就大了；气体的体积变小 7,单位体积的气体分子个数就多了，气体分子的密集程度增大 了，单位面积上对容器壁碰撞的分子个数就多了，作用力就大了即 压强就大了。由于以上两个原因，所以气体的压强P也就变大了。 再由E二pV二nRT可知：气体的压力势能即气体的内能（刚性理想气体 的内能等于气

11、体全体分子的总动能）也是变大的。当气体发生定向 流动时，气体分子向非流动速度方向上的碰撞几率减小，气体向非 流动速度方向上的压强就减小了。对于理想流体我们常用伯努利原理来解释，这是不对的。伯努 利原理的实质是:流体的压力势能和动能及重力势能的总和保持不 变（不能说成“机械能守恒”），内容是动能加重力势能加压力势 能等于常数。其适用条件是：（1）理想流体,（2）压力势能、重 力势能及流体动能的和保持守恒不变，（3）能量的转化只发生在 流体内部这三种能量之间。理想流体是不可压缩、不计粘性（粘度为零）的流体。现实中 并不存在理想流体，但理想流体模型可应用于一些粘性影响较小的 情况中，使问题得以简化。

12、伯努利原理是伯努利在研究自然流动的 水时得出的，流动的水只要速度发生了变化，水的体积就发生变 化，只不过体积变化很小。这种体积的变化对于固体和液体是很小 的，可以忽略不计。所以把自然流动的水看成理想流体是可以的。 但流动的气体的速度发生变化时，气体的体积变化太大了，我们不 能忽略。所以伯努利原理不适用于流动的气体，只适用于自然流动 的水。并且我们生活中的很多的事例不是流体的压力势能和动能及 重力势能总和保持守恒不变的，而是变化的。如：飞机在空中飞 行，各种机动车向前运动时，它们都需要燃烧油转化成机械能，所 以流体的压力势能和动能及重力势能的总和不再保持守恒不变，而是变化的，伯努利原理是不适用的

13、。可见伯努利原理不具有普遍 性，伯努利原理的适用是有条件的：只适用于自然流动的水。再一 个伯努利原理的内容是动能加重力势能加压力势能等于常数。不 是：流体速度大的地方，流体压强小；流体速度小的地方，流体压 强大。我们考虑这类问题时，要考虑压力势能产生的原因，要从能量 的转化全过程来考虑，才能得到正确的结果。生活中的固体、液体在受到外来的压力挤压时，体积变小，但 体积变化的非常地微小，如果我们把固体、液体看成横截面积不变, 长发生变化的长方体时，由w二压力势能E的变化二pV的变化二pS乘 以L的变化二F乘以L的变化（S表示面积，L的变化表示变化的距离） 可知，即使我们对固体、液体施加一个有限的较

14、大的压力F,由于 固体、液体体积V变化非常的微小，在压力F的方向上距离L的变 化也是非常的微小，我们对固体、液体做的功W非常的微小，由 能量的转化可知，弓I起固体、液体的内能（压力势能）E的变化也 是非常小的，在生活中几乎忽略不计。反过来，在日常生活中，当 固体、液体受热膨胀（压力势能即内能变小时）对外做功时，由于 距离L的变化非常地微小，所以却产生很大的力F,例如我们冬天 铺的铁路钢轨之间如果不留有热胀冷缩的缝隙，在夏季温度升高时 铁路就会变形或向上隆起；同理：大型的桥梁就会断裂。再一个，气体的压力势能产生的原因与体、液体的压力势能产生的原因是不同的。对于气体，由理想气体状态方程可知，压力

15、势能E=pV=nRT,一定量的处于平衡态的气体其压力势能与物质的 量和温度有关。但真实气体的状态通常十分复杂，而理想气体的状 态方程具有非常简单的形式。对于理想气体：分子间作用力很小， 可以忽略不计，因此对抗分子间作用力的机械能（内能中的分子势 能局部），与分子的动能（内能中的分子动能局部）相比，变得较 不显著，可忽略不计；另外，分子的大小，与分子与分子之间的相 隔空间相比，也变得较不显著，总之气体内能中的分子间的势能可 忽略不计。因此认为气体的内能只包括气体中所有分子无规那么运动 的动能总和，忽略了分子之间由于作用力而产生的势能。分子无规 那么运动的平均动能与温度有关;温度越高，分子无规那么

16、运动的平均 动能就越大，也就是一定量的气体温度越高，内能越大，可转化成 机械能的内能（压力势能）就越多。一定量的气体，在温度不变时, 气体的内能是不变的，压力势能也是不变的。虽然气体的内能与气 体的压力势能是两个不同的概念；气体的内能等于气体分子的平均 动能乘以气体分子的总个数；气体的压力势能等于大量气体分子作 用在器壁上单位面积上的平均作用力（气体的压强）乘以气体体积； 可见气体的压力势能的改变量是气体分子通过对物体外表的碰撞， 使物体产生距离时所做的功，即压强与气体体积乘积pv的变化量。 但根据能量的转化可知压力势能的变化量即气体做的功是气体内能 的变化量。因此我们就可以认为气体的压力势能

17、就是气体的内能（所有气体分子的动能总和）的一局部，是可转化成机械能的那部 分内能，与气体分子之间的势能无关（忽略不计）。对于液体、固体的压力势能的变化主要与物体内能中由于分子 间作用力引起的势能即全体分子总势能的变化有关，一般不考虑物 体温度的变化即分子动能的变化。所以液体及固体的压力势能的变 化主要与物体中全体分子的势能的变化有关，是可转化成机械能的 那局部内能，主要是内能中的分子间的总的势能的变化量，与物体 中全体分子的动能，这局部内能无关。因此与气体的压力势能是不 一样的。当我们对液体或固体施加一个压力对其做功时，其体积的变化是非 常小的，因此认为物体内能中的由分子间作用力弓I起的势能的

18、变化 是极小的，即压力势能几乎不变，因此我们利用压力（不是摩擦 力）使液体或固体的内能中的势能变化是非常的小即压力势能的变 化是非常的小，可忽略不计。所以我们利用压力使固体和液体的压 力势能（内能中的势能）发生变化是不容易的。当我们对气体施加 一个力，很容易使气体的体积发生变化，因此我们使气体的内能（内能中的所有分子的动能总和）即压力势能发生变化是很容易 的。可见固体、液体的压力势能与气体的压力势能产生的原因是不 同的，使其压力势能发生改变的难易程度也是不一样的。我们再解释飞机是如何飞行上升的？我们只解释飞机的上升过程。 飞机的机翼横截面一般是上外表前部向上凸起，下外表较平的形 状，并且还有迎

19、角，有迎角这一点非常重要。当飞机飞行上升时， 下外表的气体由于迎角，飞机下面的气体被压缩，单位体积内的气 体分子个数变的稠密，气体压力势能变大，机翼下方的气体向上的 压强变大；同时飞机下方的气体有了向下运动的分速度，把飞机下 方的气体看作一个整体，这些气体向下运动，是由于飞机给了气体 一个向下的力，物体间力的作用是相互的，飞机下方的气体就给飞 机一个向上的力，进一步增加了飞机下方的气体对飞机向上的压 强。由于飞机的迎角和飞机前端局部向上的凸起，飞机下方和凸起 的前方的气体被压缩，压力势能增大，压强增大，在此处形成一个 高压强区。又由于飞机向前运动，使凸起局部后方的飞机上外表的 气体，单位体积内

20、的分子个数变少，气体的压强变小，形成一个低 压强区；压强大的地方的气体迅速向压强小的地方的膨胀做功，即 气体迅速沿着飞机的上外表向后膨胀做功，使气体沿着飞机上外表 向后发生了定向运动，气体速度变大，进一步减小了对飞机上外表 向下的压强。这一个原因是一个重要因素。当凸起的斜面前方与飞 机下外表的夹角不大时，凸起后方的飞机上外表压强较小处的气体 对凸起前方的气体有一个吸的作用，使被压缩的气体又迅速膨胀， 因此凸起前方的气体被压缩的过程就可忽略不计了，总之飞机上表 面上的所有气体都表现为迅速膨胀，速度变大，压强减小，又由于 气体发生向后的定向运动（以气体为参照物），使气体向下的压强 进一步减小。这样

21、机翼下外表的气体向上的压强大于机翼上外表的 气体向下的压强，就产生了使飞机上升的力。所以机翼向上的凸起 的前面与机翼的下外表的夹角不要过大，这样既能减小气体对飞机 的阻力又能减小机翼上方的气体对机翼向下的压强。总的来说，向 前飞行的飞机对气体做功的过程就是直接转化成气体向后定向运动 的动能的过程；或者说：飞机上升的过程就是：飞机发动机把燃料 燃烧放出的化学能转化成气体的内能又迅速转化成飞机上升的重力 势能和飞机的动能以及气体的动能和克服空气摩擦力（粘性阻力） 所产生的热能和通过气体压力势能做功转化成的气体热能的过程。另外在飞机的机翼上，一般还安装有副翼和襟翼等机翼，实现对气 体的压缩，来改变飞机周围单位体积内气体分子的个数，来改变周 围空气的压力势能的大小，改变空气对飞机的压强和压力，实现操 纵飞机，使飞机转弯、升降等。可见我们设计机翼的目的就是：灵 活的改变副翼等在空中的姿态，机翼与水平方向的迎角大小等，来 改变飞机周围气体的压力势能，改变气体对飞机的压强和压力，来 实现飞机的升降、转弯等操纵。