制作“水中芭蕾”

李得天

摘 要：物理學科具有自己的特色，它以實驗為依據。假如在教學物理知識的同時，能夠將實驗貫穿課堂，對課堂教學必定增色不少。我在教學中制作了“水中芭蕾”，從制作過程、原理、教學等幾方面進行分析，對學生理解熱脹冷縮、反沖等知識具有一定教學價值。

關鍵詞：水中芭蕾；物理教學；反沖原理

火箭是如何沖上云霄的呢？泄了氣的氣球為什么會亂竄呢？他們兩者之間有什么關聯？蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功的往復式動力機械，那么，又是如何將能量轉換為機械能，從而使蒸汽機運轉呢？為了使學生能了解蒸汽機的運動原理，更直觀地觀察和學習反沖原理，我在教學中制作了“水中芭蕾”，以提高學生對科學的興趣。

一、“水中芭蕾”的主要結構

“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，且銅管導熱性好。蠟燭被截成小段，放置于船內，點燃加熱銅管。當向銅管內注滿水，點燃蠟燭加熱銅管螺旋部分，便能觀察到蒸汽船旋轉起來。

二、“水中芭蕾”的制作和使用方法

第一，拿一個鋁飲料罐，從底部切1/3成一個小杯。

第二，用鉗子將鋁罐邊緣尖銳部分卷曲，形成一個整潔光滑的邊緣。

第三，拿一根蠟燭，將蠟燭截成適當長度，蠟燭應當能正好放進鋁罐，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，取一根較長的銅管，把中間部分彎曲成螺旋狀，彎曲銅管末端來對應鋁罐上的穿孔。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。在鋁罐內部粘上三根細金屬棒用來支撐上方的蓋子。金屬棒要長出船身一截。

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方形，將四塊長方形玻璃依次用玻璃膠接在正方形玻璃的四邊，這樣，一個正方形的玻璃水槽就完成了。

第七，為了增強觀賞性，在蓋子上粘上一個小娃娃，這樣，在蒸汽船旋轉時，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，向學生解釋熱脹冷縮原理以及反沖運動，有廣泛的意義；可以運用熱脹冷縮的原理以及反沖運動來解釋身邊的現象（火箭發射原理等）。

四、模型會旋轉的原理分析

銅是很好的導熱金屬，銅管里灌滿水，再把它放進水槽里，點燃蠟燭，火焰會把螺旋段銅管里的水加熱成蒸汽，蒸汽體積膨脹，銅管內的壓強大于外界大氣壓，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成水，體積縮小，銅管內壓強降低，外界大氣壓大于銅管內部壓強，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，再次推動另外的水向外噴出，產生推動力……循環往復，小船就能得到持續的動力，于是就動起來了。

那么蒸汽船為什么會旋轉呢？這其實是利用到了反沖原理。反沖運動是根據動量守恒定律，如果一個靜止或運動中的物體在內力的作用下分為兩個部分，其中一部分向某個方向噴射運動，另一部分必然向相反的方向運動。如一個充滿氣的氣球，我們將氣球松開，會看到氣球放氣，在空中舞動。當氣球放出一部分氣體，氣球則向放出氣體的相反方向運動，氣球持續放出氣體，氣球不斷運動。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動。這里將末端銅管彎成九十度角，使蒸汽船旋轉起來。

熱脹冷縮在生活的應用十分常見，溫度計就是利用液體的熱脹冷縮原理制成的。再如，當我們打乒乓球的時候，不小心把乒乓球踩癟了，會用什么方法解決？對，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。其原理也是應用了熱脹冷縮。

反沖現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，氣球內氣流噴出，氣球因反沖而運動。可以看見氣球運動的路線曲折多變。這有兩個原因：一是吹大的氣球各處厚薄不均勻，張力不均勻，使氣球放氣時各處收縮不均勻而擺動，從而運動方向不斷變化；二是氣球在收縮過程中形狀不斷變化，因而在運動過程中氣球表面處的氣流速度也在不斷變化，根據流體力學原理，流速大，壓強小，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，運動方向也就不斷變化。

火箭升空是作用力與反作用力的牛頓原理。利用燃料燃燒時產生的巨大推力，即反沖的原理，使一個物體從靜止開始運動，必須有力作用在物體上，并且作用一定時間t。在物理學上，力F和時間t的乘積叫作力的沖量。要使火箭發射，就必須有沖量作用在火箭上。這種沖量是通過燃氣的爆炸而產生的。

作為研究性學科，教師平時應充分利用身邊的素材動手做教學器材，讓學生感受生活，學習知識，做到學有所用，學有所得。