Question

20．如圖1所示是我國(guó)第一次完全自主設(shè)計(jì)并制造“翔鳳”（ARJ21）飛機(jī)．于2008年11月28日試飛首飛1h獲得了成功，并計(jì)劃在2009年開始逐步投入規(guī)�；�生產(chǎn)．
（1）翔鳳（ARJ21）支線客機(jī)使用的是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，其原理是：將吸入的空氣與燃油混合，點(diǎn)火爆炸后膨脹產(chǎn)生高速空氣向后噴出，發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣向后噴出時(shí)推動(dòng)飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)．這是因?yàn)槲矬w間力的作用是相互的．
（2）飛機(jī)的升力是由于機(jī)翼上、下表面出現(xiàn)了壓力差，垂直于相對(duì)氣流方向的壓力差的總和就是機(jī)翼的升力．這樣飛機(jī)借助機(jī)翼上獲得的升力克服地球引力，從而翱翔在藍(lán)天上了．飛機(jī)機(jī)翼導(dǎo)流板橫截面的形狀是下列四圖2中的D．

（3）物體在流體（液體和氣體）中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到阻礙物體運(yùn)動(dòng)的力，稱作為“流體阻力”．飛機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)成“流線形”是為了減小空氣阻力．影響“流體阻力”大小的因素有物體的形狀和大小、物體表面的粗糙程度、物體和液體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度以及物體垂直于運(yùn)動(dòng)方向的橫截面大�。�某同學(xué)為了驗(yàn)證“流體阻力的大小與運(yùn)動(dòng)物體表面粗糙程度有關(guān)”，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案：
①用彈簧測(cè)力計(jì)拉一艘表面光滑的船模型在水中運(yùn)動(dòng)，并記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F₁；
②用彈簧測(cè)力計(jì)拉另一艘表面粗糙的船模型在水中運(yùn)動(dòng)，并記下彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)F₂；
③通過(guò)比較F₁與 F₂大小，就能得出物體受到流體阻力是否與物體表面粗糙程度有關(guān)．
請(qǐng)你對(duì)該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)估，指出其中存在的問(wèn)題（僅要求寫兩點(diǎn)）：
A、拉動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)要水平運(yùn)動(dòng)；
B、拉動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)要做勻速運(yùn)動(dòng)．
（4）飛機(jī)在跑道上緩慢滑行時(shí)，通過(guò)跑道上的壓力感應(yīng)裝置測(cè)得飛機(jī)前輪壓強(qiáng)為2.0×10⁵Pa，后輪壓強(qiáng)為2.5×10⁵Pa，已知前輪觸地總面積0.25m²，后輪觸地總面積1.2m²．求此滑行飛機(jī)的質(zhì)量．
（5）“翔鳳”首次試飛1h消耗燃油1.5T，行程600km，已知航空燃油的熱值為8.0×10⁷J/kg，發(fā)動(dòng)機(jī)效率為20%，求飛機(jī)在試飛時(shí)獲得的平均水平推力．

Answer 1

分析 （1）從力的作用的相互性角度進(jìn)行分析；
（2）從流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系角度可確定機(jī)翼的形狀；
（3）流線形可減小空氣阻力；從控制變量法的角度，可指出在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題；
（4）根據(jù)壓強(qiáng)公式的變形，求出前后輪的壓力，二者之和就是飛機(jī)的重力，再進(jìn)一步求出其質(zhì)量即可；
（5）根據(jù)熱值的計(jì)算，可求出總的能量，再根據(jù)熱機(jī)的效率求出有效利用的能量，最后根據(jù)W_有=Fs的變形公式計(jì)算水平推力的大�。�

解答 解：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣向后噴出時(shí)推動(dòng)飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)．這是因?yàn)槲矬w間力的作用是相互的．
（2）飛機(jī)的機(jī)翼應(yīng)該是上凸下平，這樣上方空氣流速快、壓強(qiáng)小，下方空氣流速慢、壓強(qiáng)大，可產(chǎn)生向上的壓強(qiáng)差，從而獲得升力，故只有D的形狀是正確的．
（3）飛機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)成“流線形”是為了減小空氣阻力．
在探究實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)控制變量法的要求，應(yīng)探究其它的量不變，只改變模型表面的粗糙程度，因此，實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題包括：拉動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)要水平運(yùn)動(dòng)；
拉動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)要做勻速運(yùn)動(dòng)；兩次拉動(dòng)的速度要相同；選取的兩個(gè)航模形狀、大小要相同；兩個(gè)航模垂直于運(yùn)動(dòng)方向的橫截面大小要相同等．
（4）由公式p=$\frac{F}{S}$得，
前輪對(duì)地面的壓力：F₁=p₁S₁=2.0×10⁵Pa×0.25m²=5×10⁴N，
后輪對(duì)地面的壓力：F₂=p₂S₂=2.5×10⁵Pa×1.2m²=3.0×10⁵N，
飛機(jī)對(duì)地面的總壓力：F=F₁+F₂=3.5×10⁵N，
飛機(jī)的重力：G=F=3.5×10⁵N，
由G=mg得，
飛機(jī)的質(zhì)量：m=$\frac{G}{g}$=$\frac{3.5×1{0}^{5}N}{10N/kg}$=3.5×10⁴kg；
（5）燃油完全燃燒放出的熱量：Q_總=mq=1.5×10³kg×8.0×10⁷J/kg=1.2×10¹¹J，
有效利用的能量：W_有=ηQ_總=20%×1.2×10¹¹J=2.4×10¹⁰J，
由W_有=Fs得，
飛機(jī)在試飛時(shí)獲得的平均水平推力：F=$\frac{{W}_{有}}{s}$=$\frac{2.4×1{0}^{10}J}{6×1{0}^{5}m}$=4×10⁴N．
故答案為：（1）物體間力的作用是相互的；
（2）D；
（3）空氣阻力；A、拉動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)要水平運(yùn)動(dòng)；
B、拉動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)要做勻速運(yùn)動(dòng)；（或兩次拉動(dòng)的速度要相同/選取的兩個(gè)航模形狀、大小要相同/兩個(gè)航模垂直于運(yùn)動(dòng)方向的橫截面大小要相同等）
（4）此滑行飛機(jī)的質(zhì)量為3.5×10⁴kg；
（5）飛機(jī)在試飛時(shí)獲得的平均水平推力為4×10⁴N．

點(diǎn)評(píng) 本題以我國(guó)自主設(shè)計(jì)并制造“翔鳳”（ARJ21）飛機(jī)為背景中，考查了力學(xué)、熱學(xué)相關(guān)的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，綜合性強(qiáng)，有一定難度，要求我們對(duì)知識(shí)有一個(gè)全面的掌握．