趣味玩具在物理課堂教學中的運用——以“飲水鳥”為例

王勁存

(南京師范大學物理科學與技術學院,江蘇南京 210046)

1 飲水鳥的介紹

圖1

“飲水鳥”是中國古代出現的一種神秘玩具(圖1).不用電池,不用發條,只要在鳥頭部滴上幾滴水,或者把鳥的頭部輕輕按在前面的水槽里半分鐘然后放開,它就會開始左右搖擺,搖擺幾下后就俯身“喝”一口水,然后繼續搖擺.在水槽里放滿水時能使它一直運動幾天,直到水全部蒸發完才會停下.據說曾有人將飲水鳥外層涂黑送給愛因斯坦,愛因斯坦驚呼“永動機又出現了”.當他了解了飲水鳥的內部結構以后,十分贊嘆它的設計之精密巧妙.因此飲水鳥也被人稱為“讓愛因斯坦也吃驚的玩具”.飲水鳥的運動原理是什么呢?維持它運動的能量又來自哪兒?這都讓人們產生一種神秘感.如果將這一玩具引入到課堂中來,則能夠激發學生的學習興趣,活躍課堂氣氛,提高學習物理知識的熱情.下面筆者簡要介紹“飲水鳥”的運動原理,及其在中學物理課堂教學中的運用.

圖2

2 飲水鳥的結構及運動原理

飲水鳥主體是由一根玻璃管連接兩個玻璃泡,如圖2所示:玻璃泡內裝有易揮發的液體乙醚,頭泡上裹有棉布.鳥嘴里有吸水性很強的棉線,棉線與頭部的棉布相連.要使飲水鳥開始運動,需先在頭泡上的棉布上滴幾滴水,由于水蒸發帶走熱量,使得頭泡溫度降低.此時頭泡內的乙醚飽和蒸氣受冷凝結,頭泡內氣體壓強降低,因此管內的乙醚液體在尾泡氣體壓強的作用下沿管上升,使整個裝置的重心高度上升.當重心上升到支點以上時,鳥就會在重力的作用下傾倒,鳥嘴浸入前面的水槽內,完成“喝水”動作.此時玻璃管尾端正好露出液面,頭部與尾部玻璃泡的氣體連通,乙醚液體會在重力作用下倒流回尾部玻璃泡,飲水鳥又恢復直立.同時由于毛細現象,水槽內的水通過鳥嘴內的棉線傳遞到頭泡的棉布上,以補充蒸發的水,保證整個裝置持續運動.

3 飲水鳥涉及的物理知識及在物理教學中的應用

飲水鳥并不是永動機,要解釋它的工作原理,涉及到的物理知識主要有氣體壓強、重心、力矩、毛細現象、熱力學定律與能量守恒定律等.在物理教學中,可以利用飲水鳥這一新奇的玩具來激發學生的認知沖突,創設對學生極富吸引力的物理問題情境,從而達到良好的教學效果.下面來具體進行分析.

3.1 氣體壓強

在頭部玻璃泡內乙醚蒸氣凝結后,氣體的數量減少,因此壓強變小,玻璃管內的乙醚液體在頭、尾部氣體壓強差的作用下沿管上升.這一現象可在理想氣體狀態方程的教學中進行演示.教師還可以繼續提問:除了使頭部玻璃泡受冷外,還有什么辦法能使管中的液體上升?學生根據學過的知識很快能想到:給尾部玻璃泡加熱也可以產生壓強差.這時教師拿出打火機給尾部加熱后,學生就會欣喜的看到飲水鳥同樣運動起來了,從而體會到成功的快樂.

3.2 重心和力矩

當管中乙醚液體上升時,裝置的質量分布發生了改變,重心位置上升;當管中的乙醚液體回流時,重心位置下降.當重心高于支點時,整個裝置將處于不穩定平衡,又由于裝置受到一個逆時針方向的重力矩,從而使飲水鳥傾倒.教師可以由此啟發學生得出重心和物體的質量分布有關的結論:同樣形狀的物體,質量分布不同,重心的位置也不同.

3.3 毛細現象

在觀看飲水鳥運動的時候,許多學生可能會有這樣的疑問:飲水鳥為什么能一直運動呢,水槽里的水是怎么轉移到飲水鳥頭部去的呢?這是由于毛細作用的結果.飲水鳥的嘴部是由外殼包裹著棉線做成的.當鳥俯下身子時,鳥的嘴部浸入到水槽中.由于毛細作用,水就會沿著嘴內的棉線吸入到頭部的棉布上去.隨著飲水鳥的一次次俯身,水槽里的水便源源不斷的吸到鳥的頭部了.在物理教學中,教師可以讓學生思考為什么鳥的頭部可以一直保持濕潤,從而引入到毛細現象的教學中.

3.4 熱力學定律與能量守恒定律

飲水鳥并不違背熱力學第一定律,只是由于它所消耗的能量不易察覺,才被誤認為像永動機我們可以將飲水鳥看成一個熱機,尾部玻璃泡周圍的空氣是熱源,包在鳥頭上的濕棉布是冷源,它通過降溫獲得溫差,從而驅動熱機工作.在教學中講授能量守恒時,如果將飲水鳥作為一個“永動機”展示給學生,可以極大的提高學生的興趣.為了證明能量是從空氣中得到的,教師可以用隔熱的燒杯把飲水鳥罩起來,一段時間以后其運動會停下來.當學生最后了解了飲水鳥的原理之后,就會對能量守恒定律有更為深刻的認識.

4 反思

趣味玩具中蘊含了非常豐富的物理知識,能呈現物理現象,顯示物理規律,其鮮艷的色彩、神奇的現象、設計的巧妙、精美的外觀能牢牢抓住學生的目光,活躍了課堂的氣氛,是一種優良的非課程資源,比學校里的實驗器材更具有趣味性、生動性,使學生在好奇中愉快地學習物理.教師應努力發掘玩具在教學中的應用價值,揭示玩具的科學原理,將作為非課程資源的玩具課程化,通過課件的形式應用到物理課堂教學中.或者作為課堂的延伸,在教師指導下,以研究性學習的方式提供給學生進行自學,提高學生科學素養與解決實際問題的能力,使玩具成為有用的課程資源,最大限度的發揮玩具的教育教學功能.這樣不僅能夠調動學生積極性和學習興趣,而且能起到更好的教學效果.

1 駱文洲.對“重心類科學玩具”課程化的研究.物理通報,2009(5).

2 姚武斌.玩具移用法和挖掘潛力法在物理實驗教學中的實踐.物理教師,2003(5).

3 楊瑞博.飲水鳥中的熱力學原理.現代物理知識,2007(2).

4 張春燕,吳偉.不倦的飲水鳥.中學生數理化(初中版),2005(1).

5 張世營,季倬.對“離心類”科學玩具的課程化研究.物理通報,2009(12).