“智造”內燃機演示實驗及其教學應用

王太軍

(西北師范大學教育學院物理教育研究所，甘肅 蘭州 730070)

初中階段學生思維主要是以形象思維為主,在物理學習中通常需要借助實物具體形象才能更清楚理解物理原理.而對于“內燃機”的內容,現有教科書中以文字描述和插圖的形式說明,[1]教師通常只能借用視頻或Flash動畫演示輔以講解,雖然能取得一定的效果,但學生不能親自嘗試體驗,難免乏味，教學效果欠佳.亦有建議帶領學生到汽修工廠參觀內燃機實物,這種方法雖然能將學生真實體驗感加強,但便捷性與可視性效果并不理想.筆者經長時間嘗試與實踐,利用生活中常見物品“智造”出的內燃機演示實驗,既滿足教學的便捷性又能滿足學生學習的趣味性和真實體驗.

1 教具原理與制作方法

研制的內燃機演示實驗由火花塞模擬點火裝置和“V形”飛輪驅動裝置兩部分組成.火花塞模擬點火裝置主要用于演示油氣混合物在氣缸內由火花塞點燃的過程;“V形”飛輪驅動裝置主要演示燃燒后膨脹的氣體推動活塞連桿帶動飛輪轉動的全過程.

1.1 火花塞模擬點火裝置

(1) 原理與制作方式.

本實驗的火花塞模擬點火裝置是利用霧化的酒精容易被電火花點燃的特點制成的,對于油氣混合物在氣缸內由火花塞點燃的過程演示效果非常好.

圖1 火花塞模擬點火裝置

制作火花塞模擬點火裝置所需材料:35 mL透明塑料空酒精瓶1個;6 cm縫衣針2枚(可用細長鐵釘替代);壓電陶瓷點火器1個(可從廢舊普通打火機中拆得);95%濃度的酒精、用自帶噴頭的空花露水瓶.

制作組裝方式:將兩枚縫衣針分別從空酒精瓶的底部和靠近底端的側壁穿入,約留1/4在瓶外,并使得瓶內兩縫衣針針尖間距為0.3 cm-0.6 cm,如圖1所示.

(2) 使用方法.

首先,用手握住插有縫衣針的空酒精瓶,用手指夾持住酒精瓶側壁的縫衣針(該步驟直接關系到瓶內能否產生電火花),用壓電陶瓷點火器的電火花輸出導線末端靠近瓶底的縫衣針頭,并按壓點火,這樣就可以看到瓶內兩縫衣針尖間放出電火花,調試即完成.其次,用盛有95%濃度酒精的花露水瓶向塑料酒精瓶內噴灑少許酒精(一般噴1-2次即可);用浸水后的柔軟紙團塞住瓶口;將壓電陶瓷點火器靠近瓶底的縫衣針頭點火(點火前瓶口切勿正對準他人),隨著“嘭”一聲響,瞬間瓶內酒精被點燃,紙團從瓶口飛離出去.最后,實驗結束應立即用濕棉布捂住瓶口,防止瓶內酒精繼續燃燒.

本實驗的火花塞模擬點火裝置充分展示了密閉氣缸內油氣混合物被電火花引燃的過程,同時形象地說明了燃燒后的氣體內能增大可以對外做功(推動紙團飛離瓶口),即類同于內燃機中燃燒的油氣混合物推動活塞運動.但是,活塞運動是如何推動飛輪連續轉動的呢?僅火花塞模擬點火裝置不足以展示內燃機活塞往復運動帶動飛輪轉動的過程.因此,筆者在此基礎上研制出“V形”飛輪驅動裝置,用以展示受熱膨脹的氣體推動活塞連桿帶動飛輪轉動的全過程.

1.2 “V形”飛輪驅動裝置

制作原理與方法.“V形”飛輪驅動裝置是根據斯特林發動機原理設計制作而成,利用受熱膨脹與冷卻回縮的空氣推動活塞帶動連桿往復運動,從而驅動飛輪轉動,以形象展示熱機活塞運動驅動外輪轉動的過程.“V形”主要指該裝置的加熱缸和冷卻缸呈排列“V形”,互成90°夾角.為形象說明燃油汽車中的電能來源,“V形”飛輪驅動裝置中增加了磁鐵、銅線圈和LED燈組,學生可觀察冷卻缸活塞來回運動時,附著其上的磁鐵在線圈內往復穿梭發電而使LED燈組閃爍,整體結構如圖2所示.

圖2 “V形”飛輪驅動裝置結構

結合圖2,制作“V形”飛輪驅動裝置所需的材料如表1所示.

表1 “V形”飛輪驅動裝置制作材料參數列表

續表

按表1所列材料及要求,按照圖2所示結構組裝完成后,制作成的“V形”飛輪驅動裝置.用酒精燈對“V形”飛輪驅動裝置的加熱缸進行加熱,加熱一段時間(約1-2 min)后,用手轉動慣性飛輪,持續加熱慣性飛輪即可連續轉動起來.

2 實用效果與反思

本實驗裝置在教學中應用時,需要從火花塞模擬點火裝置、“V形”飛輪驅動裝置順序依次展示,與教科書中內燃機的“四個沖程”內容有機結合,深度展示“內燃機”的工作原理.本實驗克服了僅用flash動畫、視頻來演示內燃機(汽油機)工作原理的不足,更讓學生能直觀深度體驗內燃機(汽油機)的工作過程.在課堂教學應用中,學生驚嘆不絕,效果顯著.

本實驗模擬密閉氣缸用的塑料材質透明酒精瓶,除了取材方便、成本低廉特點外,還具有突出優勢:一是增強了實驗現象的可視性和安全性,不至于像采用同樣容積的玻璃瓶會因受熱不均而引起破裂帶來安全隱患;二是大小適中,用常見花露水瓶噴頭噴灑酒精,一次噴灑的劑量剛好適中,不至于瓶內酒精濃度過大而燃燒劇烈容易引發危險,也不至于像用更大容積的塑料瓶那樣,酒精濃度太低而不能順利引燃,造成演示失敗或效果不佳.

需要說明的是,本實驗中“V形”飛輪驅動裝置所用到的原理是斯特林發動機,它也屬于熱機的一種,盡管是采用外熱的方式,但不同于已有相關研究,[2]本實驗中的側重點并不是探討其具體的工作原理,而是向學生展示熱機活塞的往復運動驅動飛輪轉動的真實情景,增加演示實驗的趣味性、可視性和體驗感.[3]同時該實驗可作為初、高中學生課外科技實踐活動、通用技術、STEAM教育中趣味課程內容,讓學生親自動手參與制作,進一步提升學生的科學素養與創新實踐能力.