制作“水中芭蕾”

李得天

摘 要：物理學(xué)科具有自己的特色，它以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)。假如在教學(xué)物理知識(shí)的同時(shí)，能夠?qū)?shí)驗(yàn)貫穿課堂，對(duì)課堂教學(xué)必定增色不少。我在教學(xué)中制作了“水中芭蕾”，從制作過程、原理、教學(xué)等幾方面進(jìn)行分析，對(duì)學(xué)生理解熱脹冷縮、反沖等知識(shí)具有一定教學(xué)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水中芭蕾；物理教學(xué)；反沖原理

火箭是如何沖上云霄的呢？泄了氣的氣球?yàn)槭裁磿?huì)亂竄呢？他們兩者之間有什么關(guān)聯(lián)？蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械，那么，又是如何將能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而使蒸汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)呢？為了使學(xué)生能了解蒸汽機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理，更直觀地觀察和學(xué)習(xí)反沖原理，我在教學(xué)中制作了“水中芭蕾”，以提高學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣。

一、“水中芭蕾”的主要結(jié)構(gòu)

“水中芭蕾”主要由易拉罐、銅管、蠟燭、金屬棒等制成。易拉罐用來制作蒸汽船的船身，易拉罐兩邊各銼對(duì)稱的洞，可使銅管穿過。銅管中部彎曲成螺旋狀，使其受熱面積增大，且銅管導(dǎo)熱性好。蠟燭被截成小段，放置于船內(nèi)，點(diǎn)燃加熱銅管。當(dāng)向銅管內(nèi)注滿水，點(diǎn)燃蠟燭加熱銅管螺旋部分，便能觀察到蒸汽船旋轉(zhuǎn)起來。

二、“水中芭蕾”的制作和使用方法

第一，拿一個(gè)鋁飲料罐，從底部切1/3成一個(gè)小杯。

第二，用鉗子將鋁罐邊緣尖銳部分卷曲，形成一個(gè)整潔光滑的邊緣。

第三，拿一根蠟燭，將蠟燭截成適當(dāng)長(zhǎng)度，蠟燭應(yīng)當(dāng)能正好放進(jìn)鋁罐，并且沒有露出。在鋁罐底部中央滴上幾滴蠟油，將蠟燭固定在鋁罐底部。

第四，取一根較長(zhǎng)的銅管，把中間部分彎曲成螺旋狀，彎曲銅管末端來對(duì)應(yīng)鋁罐上的穿孔。將末端分別穿出小孔。

第五，彎曲銅管末端，使它們成直角，但是兩端的直角彎成方向相反的直角。在鋁罐內(nèi)部粘上三根細(xì)金屬棒用來支撐上方的蓋子。金屬棒要長(zhǎng)出船身一截。

第六，取三塊正方形玻璃，其中兩塊分割成相同大小的四塊長(zhǎng)方形，將四塊長(zhǎng)方形玻璃依次用玻璃膠接在正方形玻璃的四邊，這樣，一個(gè)正方形的玻璃水槽就完成了。

第七，為了增強(qiáng)觀賞性，在蓋子上粘上一個(gè)小娃娃，這樣，在蒸汽船旋轉(zhuǎn)時(shí)，娃娃恰似在跳舞。

三、“水中芭蕾”的性能及用途

“水中芭蕾”原材料易得，大部分可從生活廢棄物中找到，如易拉罐、銅管、蠟燭、金屬棒等；適合教師使用，向?qū)W生解釋熱脹冷縮原理以及反沖運(yùn)動(dòng)，有廣泛的意義；可以運(yùn)用熱脹冷縮的原理以及反沖運(yùn)動(dòng)來解釋身邊的現(xiàn)象（火箭發(fā)射原理等）。

四、模型會(huì)旋轉(zhuǎn)的原理分析

銅是很好的導(dǎo)熱金屬，銅管里灌滿水，再把它放進(jìn)水槽里，點(diǎn)燃蠟燭，火焰會(huì)把螺旋段銅管里的水加熱成蒸汽，蒸汽體積膨脹，銅管內(nèi)的壓強(qiáng)大于外界大氣壓，蒸汽讓銅管一后端里的水向外噴出；但是另一后端的銅管沒有那么熱，蒸汽在里面遇冷重新凝結(jié)成水，體積縮小，銅管內(nèi)壓強(qiáng)降低，外界大氣壓大于銅管內(nèi)部壓強(qiáng)，水槽里的水在大氣壓的作用下倒流回銅管。這些水的一部分重新被加熱成蒸汽，再次推動(dòng)另外的水向外噴出，產(chǎn)生推動(dòng)力……循環(huán)往復(fù)，小船就能得到持續(xù)的動(dòng)力，于是就動(dòng)起來了。

那么蒸汽船為什么會(huì)旋轉(zhuǎn)呢？這其實(shí)是利用到了反沖原理。反沖運(yùn)動(dòng)是根據(jù)動(dòng)量守恒定律，如果一個(gè)靜止或運(yùn)動(dòng)中的物體在內(nèi)力的作用下分為兩個(gè)部分，其中一部分向某個(gè)方向噴射運(yùn)動(dòng)，另一部分必然向相反的方向運(yùn)動(dòng)。如一個(gè)充滿氣的氣球，我們將氣球松開，會(huì)看到氣球放氣，在空中舞動(dòng)。當(dāng)氣球放出一部分氣體，氣球則向放出氣體的相反方向運(yùn)動(dòng)，氣球持續(xù)放出氣體，氣球不斷運(yùn)動(dòng)。蒸汽船模型中，后端的銅管里的水向后噴出，使蒸汽船向相反方向運(yùn)動(dòng)。這里將末端銅管彎成九十度角，使蒸汽船旋轉(zhuǎn)起來。

熱脹冷縮在生活的應(yīng)用十分常見，溫度計(jì)就是利用液體的熱脹冷縮原理制成的。再如，當(dāng)我們打乒乓球的時(shí)候，不小心把乒乓球踩癟了，會(huì)用什么方法解決？對(duì)，泡熱水。將踩癟的乒乓球放入熱水中，很快就可以看到它重新鼓起來。其原理也是應(yīng)用了熱脹冷縮。

反沖現(xiàn)象在生活中也十分常見。將氣球吹大后，用手捏住吹口，然后突然放手，氣球內(nèi)氣流噴出，氣球因反沖而運(yùn)動(dòng)?？梢钥匆姎馇蜻\(yùn)動(dòng)的路線曲折多變。這有兩個(gè)原因：一是吹大的氣球各處厚薄不均勻，張力不均勻，使氣球放氣時(shí)各處收縮不均勻而擺動(dòng)，從而運(yùn)動(dòng)方向不斷變化；二是氣球在收縮過程中形狀不斷變化，因而在運(yùn)動(dòng)過程中氣球表面處的氣流速度也在不斷變化，根據(jù)流體力學(xué)原理，流速大，壓強(qiáng)小，所以氣球表面處受空氣的壓力也在不斷變化，氣球因此而擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向也就不斷變化。

火箭升空是作用力與反作用力的牛頓原理。利用燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的巨大推力，即反沖的原理，使一個(gè)物體從靜止開始運(yùn)動(dòng)，必須有力作用在物體上，并且作用一定時(shí)間t。在物理學(xué)上，力F和時(shí)間t的乘積叫作力的沖量。要使火箭發(fā)射，就必須有沖量作用在火箭上。這種沖量是通過燃?xì)獾谋ǘa(chǎn)生的。

作為研究性學(xué)科，教師平時(shí)應(yīng)充分利用身邊的素材動(dòng)手做教學(xué)器材，讓學(xué)生感受生活，學(xué)習(xí)知識(shí)，做到學(xué)有所用，學(xué)有所得。