自制低成本汽油機工作原理實驗演示儀改進創新及教學應用

謝桂英 彭 妙 余耿華

(1. 廣州市執信中學琶洲實驗學校,廣東 廣州 510220; 2. 廣州市江南外國語學校,廣東 廣州 510220； 3. 廣東實驗中學，廣東 廣州 510220)

1 教材實驗分析

圖1 手搖四沖程汽油機模型

與課本配套的初中物理實驗室常用的手搖四沖程汽油機模型,如圖1所示．各沖程的完成由手動完成,體現不了做功沖程時氣缸內燃氣的內能轉化為機械能的過程．

由于該模型在演示過程是完全由教師通過手搖來完成飛輪的轉動、連桿曲軸帶動活塞的往復運動、氣門的開閉情況．火花塞的點火過程也是通過頂端的小燈泡的閃亮來進行模擬的．整個過程較平淡,難以激發學生的興趣．缺乏對學生學科素養培養．

該儀器在演示過程中由于結構設計缺陷容易出現故障,特別是頂桿頂開氣門的連接處極易脫落,教師為了完成實驗往往要經過多次調試才能成功．影響課堂演示效果．

由于該儀器本身體積較小,不利于演示過程的全班學生進行同時觀察．有時不得已寧愿使用Flash動畫進行演示．然而這樣就會失去物理本身實驗教學的特點,缺乏實驗教學的精神．

圖2

筆者基于以上的教學反思和參考目前許多教師在課堂上演示用酒精在塑料瓶內點火將紙團沖出,演示燃料燃燒將內能轉化為機械能的過程(如圖2),將兩者結合將演示實驗改進創新自制作了“內燃機做功沖程演示儀”，并將改進創新后教具再次用于課堂教學，取得良好的教學效果.[1]

2 內燃機做功沖程演示儀的改進與制作

(1) 材料.網購長30 cm、內徑30 mm、壁厚10 mm的有機玻璃筒(如圖3)．取一段長6 cm、直徑29 mm的木質活塞,并打磨光滑(如圖4)．

圖3

圖4

(2) 制作流程.在長40 cm的鋁條兩端開孔,制作成連桿(如圖5)．制作一塊直徑16cm的木質圓板作為飛輪(如圖6)．將飛輪和活塞用連桿連接,并在活動處加潤滑油(如圖7)．在玻璃筒壁上開兩個小孔,并將打火機的點火裝置拆下,將兩條引線伸入筒內保持正對,制成“火花塞”(如圖8)．

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

將玻璃筒、活塞、飛輪組裝好后,固定在長木板上,并在玻璃筒頂端開一個小孔(便于注入酒精充當燃料)．最后用膠塞塞住玻璃筒底端防止漏氣(如圖9、圖10)．在木板側面鉆孔,設計可以方便安裝和卸下的底座(如圖12)．

圖10

圖11

圖12

(3) 內燃機做功沖程演示儀的操作流程.

調節活塞和飛輪在如圖10所示的位置,避免連桿與活塞的運行方向在同一條直線上,防止點火時連桿發生彎折而損壞．用細膠管從玻璃筒頂端的小孔中注入打火機中的丁烷氣體(按壓約5s,如圖13)．按壓點火器,可以觀察到筒內出現一團紅藍相間的火花、飛輪轉動4-6圈(如圖14)．

圖13

圖14

(4) 內燃機做功沖程演示儀的優點.

燃料的注入只需要按壓打火機的點火按鈕,不用滴入酒精的方式,燃料的攜帶方便,燃料的注入非常簡單方便．透明的玻璃筒,能讓學生直接觀察到做功沖程時氣缸內燃料燃燒時產生的火花(體會內能的存在),看到飛輪的轉動(感受機械能的產生),從而深刻理解內能轉化為機械能的過程．做功沖程活塞將飛輪推動,飛輪由于慣性又將活塞推回筒內,可以非常清晰地演示飛輪的慣性完成排氣沖程、吸氣沖程等過程．促進了學生積極思考和主動學習,從而順利突破教學難點．儀器成本低結構簡單而牢固,操作方便,效果震撼,可以多次循環使用．該教具能夠兼顧全體,每位學生都能夠全面具體觀察演示過程、利于突破學習的難點．特別是做功過程伴隨的聲響效果給學生留下立體的深刻的印象,對學生知識的遺忘起到極好的防范作用．演示過程,學生充滿期待．教師的演示過程與學生的觀察過程促進了師生情感的交流與科學精神的培養．同時教師自制教具的態度也可以感染學生用于面對困難的精神,有利于學生學科素養的養成．

3 內燃機做功沖程演示儀改進后的教學應用片段

3.1 導入情景

師:內燃機就是燃氣在一個封閉空間內燃燒,將內能轉換為機械能的裝置．下面,教師用一個改進版的儀器來演示其工作過程．(教師一邊拿出儀器)

3.2 介紹器材

師:這個透明圓柱玻璃筒演示氣缸,這是木質活塞,黑色的是連桿,另一端連著飛輪,飛輪轉動表示可以帶動傳動部件使汽車獲得動力．(教師邊講解,邊指示相應的部件．最后撥打一下飛輪,讓飛輪帶著活塞往復運動幾次,如圖15)活塞從氣缸的一端運動到另一端的過程叫一個沖程．

圖15

3.3 師生互動

師:飛輪要動起來,就必須通過燃燒燃料獲得機械能,那么燃料是如何進入氣缸的呢?

生:活塞向右(下)運動,把燃料和空氣的混合氣體吸入氣缸中．

師:對了,我們就把這個過程叫做“吸氣沖程”．

圖16

(教師同時一邊將燃起注入到氣缸中,一邊撥動飛輪,使活塞完成吸氣沖程,如圖16)

師:吸氣沖程,活塞的能量從哪里來的?進氣門、排氣門分別處于什么狀態?

生:飛輪的機械能．進氣門打開、排氣門關閉．

師:很好．當飛輪運行到底,在飛輪的慣性帶動下往回運動時(教師一邊緩慢撥動飛輪,演示),進氣門、排氣門分別處于什么狀態?有什么能量的轉化過程?

生:進氣門、排氣門都關閉．飛輪的機械能轉化為混合氣的內能(優秀的學生可以回答出燃氣的溫度升高)．

師:非常好．進氣門、排氣門都關閉時筒內混合氣處于壓縮狀態,因此我們叫此沖程為什么沖程呢?

生:壓縮沖程．

師:非常好．當活塞壓縮到底,此時混合氣體的溫度應該最高,此時點火應該為最佳時刻．請同學們注意觀察,千萬不要眨眼!(教師將事先準備好的點火器插入到氣缸內,并點火如圖17、圖18……)．

圖17

圖18

生:哇……

師:請問我們看到了哪些現象?

生1:汽缸內出現一團火光.

生2:活塞被氣體猛烈推動.

生3:飛輪轉動了好幾圈

師:大家都觀察的很仔細．那么此時進氣門、排氣門一定處于什么狀態?我們應該叫他什么沖程合適呢?

生:進氣門、排氣門關閉．做功沖程．

師:為什么呢?

生:燃氣對活塞做功,將它的內能轉化為了飛輪的機械能(可以使汽車獲得動力)．

師:大家掌聲鼓勵!燃氣做完功之后就變成廢氣了,廢氣需要排出氣缸外,此時活塞如何運動?我們應該稱之為什么沖程?

生:往回運動．排氣沖程．

師:活塞為什么可以往回運動?

生:飛輪的慣性．

師:進氣門、排氣門處于什么狀態?

生:進氣門關閉、排氣門打開．

3.4 實驗小結

師:通過老師剛才的演示,我們就明白了這種內燃機要完成一次工作循環,需要幾個沖程呢?做了幾次功?飛輪轉了幾個圈呢?

生:這種內燃機要完成一次工作循環需要4個沖程、做了一次功、飛輪轉了兩個圈．

師:請同學們回顧我們剛才演示分析這種內燃機分別經歷了哪幾個沖程?

生:吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程

師:汽車在何時獲得動力?

生:汽車在做功沖程時獲得動力．

師:想象一下如果汽車只有這一個氣缸,汽車的運動情況將是怎樣的?

生:汽車將猛烈運動一下,然后滑行一段距離．

師:為了使汽車能夠獲得平穩持續的動力,請大家猜想討論設計師應該是如何解決的?

3.5 實驗評價

該實驗器材結構簡單而牢固,制作成本低操作方便,效果震撼,可以多次循環使用．改進后,燃料的注入只需要按壓打火機的點火按鈕,而不用滴入酒精的方式,燃料的攜帶方便、注入非常簡單方便．透明的玻璃筒,能讓學生直接觀察到做功沖程時氣缸內燃料燃燒時產生的火花(體會內能的存在),看到飛輪的轉動(感受機械能的產生),從而深刻理解內能轉化為機械能的過程．用該教具在所任教教學班進行了演示實驗,均能一次成功完成演示．

3.6 教學反思

該儀器的使用汽,在做功沖程活塞直線運動轉化為飛輪的轉動動,飛輪由于慣性又將活塞推回筒內,可以非常清晰地演示飛輪的慣性完成排氣沖程、吸氣沖程等過程．促進了學生積極思考和主動學習,從而順利突破教學難點．該教具能夠兼顧全體,每位學生都能夠全面具體觀察演示過程、利于突破學習的難點．特別是做功過程伴隨的聲響效果給學生留下立體的深刻的印象,對學生知識的遺忘起到極好的防范作用．演示過程,學生充滿期待．教師的演示過程與學生的觀察過程促進了師生情感的交流與科學精神的培養．同時教師自制教具的態度也可以感染學生用于面對困難的精神,有利于學生學科素養的養成．