“又快又穩”的“水冷卻”居里點發動機
——IYPT2018年賽題實驗制作分析

崔衛國

(南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

近年全國大學生和中學生對PT實驗研究的熱情越來越高,2018年IYPT的17個實驗又再次成為大學生和中學生的熱點話題．實驗涉及實驗器材的制作或創作、實驗的測量和模擬、實驗的理論探討.這些實踐正是物理學科核心素養中“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”的綜合體現．2018年的第12題引發了筆者實驗創作的欲望,和學生一起制作了既簡潔又便于精確測量的實驗器材．

1 IYPT2018年第12題賽題

第31屆青年物理學家競賽賽題第12題.

譯文：居里點發動機.制作一個可以繞軸自由轉動的鎳盤．在圓盤邊緣放一塊磁鐵并加熱它的一面,圓盤開始旋轉．研究影響旋轉的參數,并對圓盤的穩定運動進行優化設計．

筆者先做幾個預實驗,在實驗中尋找影響轉動快慢的物理量．

圖1

2 預實驗與鎳盤轉動分析

2.1 預實驗

預實驗1.取薄鎳板制作一個半徑為r=15 mm的薄圓片鎳盤,將磁鐵靠近并用酒精燈在B區域加熱,如圖1,觀察現象．

現象:鎳盤被加熱后轉動加快,然后減速,再加速,減速甚至出現反轉;一段時間后鎳盤受熱至發紅,不再轉動．

圖2

預實驗2:用鎳絲彎成水平圓環形鎳盤,鎳盤繞豎直軸O可以自由轉動,如圖2．保持使用相同磁鐵且保持磁鐵與鎳盤的距離x0不變．在圓盤靠A的一側固定磁鐵,在鎳盤上的B點用酒精燈加熱．

現象:加熱稍許,鎳盤沿逆時針方向突然加速旋轉,此后變慢,快慢交替,加熱時間稍長后,轉速變慢,甚至出現反轉現象．

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2.2 轉動分析

鎳盤轉動的原因:預實驗中B處的鎳受熱超過居里點后突然失去磁性,磁鐵左側的對稱點B′處的鎳所受磁力F未消失,它的力矩M1大于軸O所受阻力f的力矩M2時,鎳盤就發生逆時針轉動．

鎳盤轉動不穩的原因:B處被加熱達到居里點后鎳盤立即轉動,轉速較快時,B左側進入加熱區的鎳還未被加熱到居里點,B右側的鎳尚未降溫至居里點以下,此時磁動力矩變小,于是鎳盤的轉速變慢．當鎳盤轉速變慢后,B處的鎳重新有較長時間被加熱到居里點時,磁力矩恢復,轉速又開始加快．

鎳盤反轉的原因:轉速較快時,隨加熱時間增長,BB′連線上方及B′A之間的鎳絲可能剛好全部處于居里點以上,而B左側低于居里點溫度的鎳尚未進入加熱區,此時BA受到的磁力矩成為阻礙逆時針轉動的阻力矩,這就使得鎳盤減速,甚至可能形成順時針轉動的鎳盤．

3 制作“轉得快”的鎳盤

3.1 初探影響鎳盤轉速的參數

(1) 磁鐵的磁性.磁性越強,鎳絲獲得的磁驅動力矩就越大;但磁性越強,因磁鐵對鎳盤的水平吸引力會增大,轉軸阻力矩也增大．對結構固定的鎳盤,磁鐵磁性強弱(本實驗中的磁鐵為4片紐扣狀半徑12mm、厚2mm的釹鐵硼強磁)會影響鎳盤的轉速．

(2) 磁鐵與鎳盤的距離.距離越近,磁力越強,但也會造成轉軸阻力增大．距離較大可以用較強磁性的磁鐵來彌補,但磁鐵確定后,這個參數“距離”的值會極大影響鎳盤的轉速．

(3) 合適的加熱位置.加熱點越靠近磁鐵,鎳盤獲得的磁驅動力越大,但過于靠近圖2中A點時,又因力臂急劇減小產生不利于轉動的影響．

(4) 效率高的冷源.希望鎳盤磁力矩更大,這就需要讓磁鐵左前方B′側的鎳“立即”低于居里點358℃,即降溫時間要極短.對B′側的鎳如何進行有效降溫呢?這是制作快速轉動鎳盤的關鍵.

3.2 制作關鍵的突破

上述幾個參數中,最難解決的是如何讓鎳絲在最應該降溫的區域快速降溫.

解決途徑1:鎳絲要“細”、“分”、“隔”.

直徑越大即越粗的鎳片或鎳絲,不易傳熱也不易散熱,會造成鎳盤很不穩定的轉動,甚至最終不再轉動．直徑越小即越細的鎳絲能在加熱時快速達到居里點以上,也能快速散熱,故直徑較小，即較細鎳絲成為制作鎳盤的首選．但過細的鎳絲所受磁力會很小,甚至不能啟動鎳盤的轉動．實驗證明,直徑0.4 mm左右的鎳絲在加熱時很容易達到居里點,也很容易低于居里點以下,也容易獲得較大的磁力．

選擇較細的鎳絲后,在B處獲得的高熱能沿圓環形鎳絲輕易傳至磁鐵的左前方,這是鎳盤反轉的主要原因．如何改進呢?“分”和“隔”的念頭涌入大腦．將連續的鎳絲切割成多段,彼此分隔,熱就不易連續沿圓周傳遞了．思考后提出兩種設想,如圖3所示的“T型”鎳盤和圖4所示的輻射狀“*型”鎳盤．

經過試驗檢測,圖3和圖4的鎳盤在用酒精燈加熱時出現較快速的轉動,但仍然出現間或減速和不穩定轉動的現象,而且圖3“T型”鎳盤的最大轉速明顯小于圖4“*型”鎳盤的最大轉速．于是,制作鎳盤的期望形狀暫定以圖4輻射狀“*型”鎳盤為主要藍圖．

圖3 “T型”鎳盤

圖4 “*型”鎳盤

解決途徑2:降溫用“水冷卻”.

在磁鐵的左前方使用液氮降溫效果比較好．但是液氮并不是生活中的常用物品,也不易隨拿隨用．如何用簡單常規的方法解決這個難題呢?

筆者想到了水.水的最高溫度是100℃,遠遠小于鎳的居里點358℃.將棉紗布剪成圓形壓在鎳盤中心,加冷水使其完全潮濕,如圖5所示．在鎳絲遠離圓心的外端加熱超過居里點后,鎳絲近圓心部分的內端始終處于低溫冷水中,會迅速將外端的溫度降低到居里點以下．制成的實物鎳盤選用32根長為3.5 cm、直徑為0.4 mm的鎳絲,將鎳絲插入兩個鏤空鋁片之間的棉布夾層中,形成旋轉最大半徑為45 mm的鎳盤,實驗時將整個鎳盤滴水至棉紗布濕潤,如圖6．

圖5 水冷卻鎳絲示意圖

圖6 水冷卻“*型”鎳盤實物圖

3.3 實驗驗證

實驗:取用上述圖6制作的鎳盤,用冷水將棉布浸潤至潮濕,調節磁鐵與鎳盤的距離至合適,然后用酒精燈在圖5所示的B處加熱．

現象:鎳盤的轉速呈現“又快又穩”的狀態．

分析:當酒精燈在B處加熱,B處鎳絲失去磁性,鎳盤立即逆時針轉動．當高于居里點的鎳絲離開加熱區后,處于冷水浸泡的部分立即使得外側高溫鎳絲降溫,該鎳絲轉至B′處時溫度早就降至居里點以下了．于是,鎳盤能夠短時間被加速至較高轉速后形成穩定的轉動．“又快又穩”的鎳盤制作成功.

至此,這個簡潔的鎳盤可以為IYPT2018年第12題的實驗探究提供服務了．

4 制作“轉得更穩” 的鎳盤

4.1 鎳絲根數更多

半徑45 mm的輻射狀“*型”鎳盤的鎳絲根數較少時,就會出現不轉(4根時),或者不穩定轉動(8根和16根時),當鎳絲的根數達到32根時就可觀察到較為恒定轉速了．這是什么原因呢?

仔細觀察后發現,鎳絲根數較少時,加熱的對象就是1根鎳絲,加熱下一根需要一定的時間．當鎳絲根數增多后,加熱區域內就達到2根或3根以上的鎳絲了．鎳盤的磁力矩就獲得了較為穩定的輸入和輸出．實驗發現,用64根鎳絲制作的鎳盤用酒精燈加熱時就可以獲得相當穩定的轉速了．能不能無限增加鎳絲的根數呢?顯然是不行的,因為無限根鎳絲的鎳盤就相當于圖1所示的鎳盤,這對如何迅速降溫提出了更高的要求．因此,輻射狀“*型”鎳盤的鎳絲根數也是有一個極限數目的． “根數”也是影響鎳盤轉速的重要參數．

4.2 熱源用噴槍

如果換用蠟燭加熱32根鎳絲制作的鎳盤,發現還是存在轉速失穩的現象．這又是什么原因呢?原來蠟燭的加熱效率遠遠低于酒精燈!蠟燭不能使得剛剛進入加熱區的鎳絲溫度迅速超過居里點．可見,效率高的“熱源”很重要.要讓鎳盤“轉得穩”,就是需要讓鎳盤極短時間內獲得連續、穩定的磁力矩．

酒精噴燈或液化氣噴槍火力很大,而且加熱區域擴大,加熱效率大幅度提高,使得進入加熱區的鎳絲溫度“立即”超過居里點．于是,鎳盤在極短時間內能始終獲得持續的磁驅動力．改用火力更大的噴槍進行加熱后,鎳盤不但轉速加快,穩定轉速也能確保了,穩定轉速能達到21 rad/s．

因此,效率高的熱源和具有更多鎳絲的鎳盤是保證鎳盤穩定轉動的必要條件．當然,利用了高效 “熱源”就更加離不開有效的“冷源”了．

一個精致、能為精確測量服務的居里點發動機終于制作完成．這個可靠的實驗器材為后續的實驗探究和理論研討提供了源源不斷的支撐．總之,在制作鎳盤的前后,師生一起動手,一起討論和改進,取得了第一手的制作經驗,增強了學生動手制作的實踐能力,為改進和創新積累了最原始的實踐經驗.這是育人的好途徑、好方式．希望PT實驗能讓更多的中學生喜歡,PT實驗是能真正實現物理學科核心素養培養的重要載體．