創(chuàng)新型水鐘的制作及其工作原理
——以“我們的水鐘”一課為例

武漢城市職業(yè)學(xué)院初等教育學(xué)院(430064) 余顯志 徐 明 王 榮

1 分析教材中水鐘模型存在的問題

1.1 教材中水鐘裝置的介紹

在教科版小學(xué)科學(xué)教材5年級上冊第3單元第2課“用水流計時間”中，滴漏實驗裝置采用的是飲料瓶去掉底部，在瓶蓋中心打1個大小合適的滴水孔，將瓶子裝滿水倒扣在鐵架臺上，滴水的正下方放1個量筒來接水滴。第3課“我們的水鐘”中，水鐘裝置也是采取類似的裝置來設(shè)計制作，即將1個上下粗細(xì)一致的飲料瓶沿中間位置剪開，將上端瓶蓋中間位置打1個大小合適的滴水孔作為“滴漏結(jié)構(gòu)”；將另一半沿底部均勻標(biāo)注計時刻度，作為“接水計時杯”；再將“滴漏結(jié)構(gòu)”倒扣在“接水計時杯”的上方。這就是教材中兩節(jié)課介紹的水鐘裝置。

1.2 教材中水鐘裝置存在的問題及原因分析

對于“如何保持水鐘里的水以固定的速度往下流？如何在‘接水計時杯’上均勻標(biāo)注計時刻度？”這兩個問題是教材中的水鐘裝置無法解決的。原因在于教材中的水鐘裝置中，“滴漏結(jié)構(gòu)”上端是開口的，滴漏上方的水在往下滴的過程中，水的滴速會受到水壓的影響，即水位越高，水滴滴速越快，水位越低，水滴滴速越慢。這樣會導(dǎo)致“接水計時杯”的水位上升的速度會越來越慢，從而導(dǎo)致計時刻度不是均勻的。同時，也對學(xué)生標(biāo)記計時刻度帶來麻煩，需要學(xué)生按照單位時間來一格一格地標(biāo)注計時刻度。這樣導(dǎo)致在規(guī)定的課時內(nèi)，學(xué)生無法完成水鐘裝置的制作和計時等任務(wù)。

2 前人研究情況

通過中國知網(wǎng)檢索關(guān)鍵詞“水鐘的制作”，有6篇相關(guān)研究論文，其中5篇是關(guān)于“用水流計時間”和“我們的水鐘”兩課內(nèi)容教學(xué)方式方法改進(jìn)的研究，1篇丁毅老師的《受水型水鐘的制作過程及工作原理》一文，對“用水流計時間”這一課中的“受水型”水鐘的滴漏結(jié)構(gòu)，改成采用二級“輸液管”串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)水滴勻速下滴的目的，同時通過輸液管的輸液閥來調(diào)節(jié)水滴的滴速，從而控制水鐘計時的快慢。但是關(guān)于滴漏的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，給學(xué)生理解裝置原理和制作水鐘帶來了一定的困難。基于對這兩課教學(xué)內(nèi)容的全面思考，結(jié)合學(xué)生的基本認(rèn)知基礎(chǔ)，從教具的簡單化、可推廣和實用性等方面考慮，筆者設(shè)計了2種選材容易、結(jié)構(gòu)簡化、方便一線教師直接用于教學(xué)的水鐘模型，解決課本中存在的教學(xué)難題。

3 水鐘的制作及工作原理

3.1 “受水型”水鐘的制作

3.1.1 工作原理

圖1為“受水型”水鐘示意圖，圖中h1表示飲料瓶內(nèi)水面到進(jìn)氣管下端管口之間的水位距離，h2表示進(jìn)氣管下端管口到出水管下端管口之間的水位距離，H表示飲料瓶水面到出水管下端管口之間的水位距離。由于進(jìn)氣管與外界空氣相通，進(jìn)氣管下端管口處受到向下的大氣壓強為P空，設(shè)瓶內(nèi)空氣壓強為P1，設(shè)瓶內(nèi)水的密度為ρ，可以得出P空=P1+ρgh1。設(shè)出水管下端管口處受到壓強為P2，由于出水管下端管口處受到向上的大氣壓強為P空，向下的壓強為P1+ρgH，可以得出P2=P1+ρgH-P空。將兩式代入可知P2=ρgH-ρgh1，即P2=ρgh2=ρgH-ρgh1。將整個系統(tǒng)當(dāng)作一個整體來分析，不難看出出水管下端管口處受到壓強P2=ρgH-ρgh1=ρgh2。若出水管與進(jìn)氣管的截面積相等，則出水管處受到的壓力為h2這段水柱產(chǎn)生的壓力，跟H這段水位的高低無關(guān)；在飲料瓶內(nèi)水位下降至進(jìn)氣管下端管口之前，h1的水柱高度不會發(fā)生變化，此時水滴速度是均勻的；當(dāng)水位下降至進(jìn)氣管下端管口以下，水滴速度不再均勻，會越滴越慢。因此，選取此“滴漏結(jié)構(gòu)”時，采用h1在這段水柱的變化來計時。基于以上分析，在此“滴漏結(jié)構(gòu)”下端加1個標(biāo)有計時刻度均勻、上下粗細(xì)一致的接水裝置來計時，可以設(shè)計為“受水型”水鐘；直接在h1這段水柱之間標(biāo)注均勻的計時刻度，并在其正下端放1個接水容器，可以設(shè)計成“水型”水鐘。

3.1.2 制作材料

熱熔膠槍、膠棒、細(xì)圓珠筆芯2根、飲料瓶2個、刻度尺、剪刀、手電鉆(或鉆孔的錐子)、輸液管限流器、細(xì)軟管、鐵架臺(配套夾持零件)、紙條、筆、雙面膠、秒表等。

3.1.3 制作過程

(1)制作“滴漏結(jié)構(gòu)”

準(zhǔn)備2根圓珠筆芯，去掉筆尖的金屬頭，將筆芯管內(nèi)的筆墨去掉；再取1個直筒型且瓶壁沒有凹槽的飲料瓶，在瓶子的底部用手電鉆或鉆孔的錐子打1個大小比筆芯外徑略大的圓孔，將筆芯從瓶底插進(jìn)去，留出一小節(jié)在瓶外，并用熱熔膠槍將筆芯與瓶底密封、固定，并保證筆芯沿瓶壁方向平行；然后，在瓶蓋中心位置打1個與瓶底同樣大小的圓孔，截取適宜長度的筆芯插入瓶蓋小孔內(nèi)，用熱熔膠槍打膠密封、固定筆芯與瓶蓋，并保持筆芯與瓶蓋面盡量垂直；最后，在瓶蓋處的筆芯上套一段大約與輸液管限流器長度略長的細(xì)軟管，再將輸液管限流器穿到這段細(xì)軟管上，往瓶內(nèi)倒入適量的水，蓋上瓶蓋，并將其固定在鐵架臺的鐵圈上。這樣，“滴漏結(jié)構(gòu)”就做好了，如圖2中固定在鐵架臺上的“滴漏結(jié)構(gòu)”。

圖2 “滴漏結(jié)構(gòu)”

(2)制作受水杯與標(biāo)注計時刻度

取1個直筒型且瓶壁沒有凹槽的飲料瓶，用剪刀剪掉瓶口上端的錐形部分，留下飲料瓶下端的直筒部分作為受水杯；然后，用雙面膠將紙條沿受水杯外壁豎直方向貼上去；接著，在瓶底下端的紙條上合適的位置標(biāo)上計時的零刻度；其次，將水倒入受水杯，直至零刻度線位置，再將受水杯放在“滴漏結(jié)構(gòu)”下端，打開輸液管限流器，調(diào)節(jié)水滴至合適滴速，并用秒表開始計時，記錄水滴滴到1 min時受水杯中水位上升的位置，用筆標(biāo)記此時的水位為1 min的刻度；最后，根據(jù)1 min的水位標(biāo)記的刻度，用刻度尺依次向上均勻標(biāo)記2～10 min之間的計時刻度。這樣，“受水型”水鐘的受水杯就做好了，如圖2中“滴漏結(jié)構(gòu)”下端的受水杯。

(3)檢測水鐘的計時效果與誤差分析

本次檢測“受水型”水鐘裝置計時效果時，采用的飲料瓶有效直徑為5 cm，將“受水型”水鐘按照標(biāo)記計時時長的刻度(1 min的計時水柱上升刻度長為8 mm)與水滴速度，用秒表每隔1 min記錄一次水滴的滴數(shù)，連續(xù)記錄10 min內(nèi)的水滴情況，記錄數(shù)據(jù)見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，每分鐘的水滴滴數(shù)都在145左右，水滴最大差值為2滴，考慮到受水杯直徑為5 cm且裝置的最大下降水位差為8 cm，2滴的誤差對“受水型”水鐘的計時準(zhǔn)確性的影響可以忽略不計，可認(rèn)為“受水型”水鐘的水滴滴速是勻速的，從而達(dá)到了課本中提出滴速勻速的要求，能夠起到準(zhǔn)確計時的效果。由于本次水鐘計時實驗效果測試，是由2人同時操作，1人計時，另1人數(shù)水滴的滴數(shù)，難免在計數(shù)的過程中存在計時提前或延緩、數(shù)水滴滴數(shù)漏數(shù)或多數(shù)的情況，從而導(dǎo)致了本次測試實驗所產(chǎn)生的誤差。

表1 每分鐘水滴的滴數(shù)記錄表

3.2 “泄水型”水鐘的制作

3.2.1 工作原理

“泄水型”水鐘的結(jié)構(gòu)示意圖(見圖3)，圖中h3表示飲料瓶內(nèi)水面到進(jìn)氣管上端管口之間的水位高度，h4表示進(jìn)氣管上端管口到出水管下端管口之間的水位高度，H0表示飲料瓶內(nèi)水面到出水管下端管口之間的水位高度。由于進(jìn)氣管與下端瓶內(nèi)空氣相通，進(jìn)氣管上端管口處受到向上的大氣壓強為P下，設(shè)上端瓶內(nèi)空氣壓強為P上，設(shè)瓶內(nèi)水的密度為ρ，可以得出P下=P上+ρgh3。設(shè)出水管下端管口處受到壓強為P，由于出水管下端管口處受到向上的大氣壓強為P下，向下的壓強為P上+ρgH0，可以得出P=P上+ρgH0-P下。將兩式代入可知P=ρgH0-ρgh3。將整個系統(tǒng)當(dāng)作一個整體來分析，不難看出出水管下端管口處受到壓強P=ρgH0-ρgh3=ρgh4。若出水管與進(jìn)氣管的截面積相等，則出水口處受到的壓力為h4這段水柱產(chǎn)生的壓力，跟H0這段水位的高低無關(guān)；在飲料瓶內(nèi)水位下降至進(jìn)氣管下端管口之前，h4的水柱高度不會發(fā)生變化，h4這段水柱產(chǎn)生的壓力也不會變化，在此過程中水滴速度是均勻的；當(dāng)水位下降至進(jìn)氣管上端管口以下，水滴速度不再均勻，會越滴越慢。因此，選取此“泄水型”水鐘結(jié)構(gòu)時，采用h3在這段水柱的變化來計時。

圖3 “泄水型”水鐘結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 制作材料

熱熔膠槍、膠棒、圓珠筆芯2根、飲料瓶2個、刻度尺、剪刀、手電鉆(或鉆孔的錐子)、輸液管限流器、細(xì)軟管、紙條、筆、雙面膠、秒表等。

3.2.3 制作過程

(1)制作“滴漏結(jié)構(gòu)”

準(zhǔn)備2根圓珠筆芯，去掉筆尖的金屬頭，將筆芯管內(nèi)的筆墨去掉；再取2個直筒型且瓶壁沒有凹槽的飲料瓶，取下2個瓶蓋，用熱熔膠槍打膠將2個瓶蓋頂對頂粘起來，再用手電鉆或鉆孔的錐子在瓶蓋內(nèi)居中位置打2個大小比筆芯外徑略大的圓孔，取2根長約5 cm的筆芯插進(jìn)瓶蓋的孔內(nèi)，用熱熔膠槍打膠將2根筆芯與瓶蓋密封、固定起來(見圖4)，注意筆芯內(nèi)孔不要被膠密封住；然后，在瓶蓋一端的筆芯上套一段大約比輸液管限流器長度略長的細(xì)軟管，再將輸液管限流器穿到這段細(xì)軟管上，往其中1個瓶內(nèi)倒入適量的水，保證瓶蓋有輸液管限流器的一端連接空瓶子，另一端連接有水的瓶子，并將瓶蓋分別與2個瓶子擰緊。這樣，泄水型水鐘“滴漏結(jié)構(gòu)”(見圖4)就做好了。

圖4 “滴漏結(jié)構(gòu)”制作

(2)制作受水杯與標(biāo)注計時刻度

首先，將沒有裝水的一端飲料瓶作為受水杯，選取裝有水的飲料瓶的直筒一段用作“泄水型”水鐘標(biāo)記計時刻度的部分；其次，用雙面膠將紙條沿受水杯外壁豎直方向貼上去；接著，在飲料瓶上端水面位置的紙條上標(biāo)記計時的零刻度；再次，打開輸液管限流器，調(diào)節(jié)水滴至合適滴速，同時用秒表開始計時，記錄下水滴滴到1 min時，“泄水型”水鐘的瓶中水位下降的位置，并用筆標(biāo)記此時刻度為1 min位置；最后，根據(jù)1 min的下降水位高度，用刻度尺依次向下均勻標(biāo)記2～10 min之間的計時刻度。這樣，“泄水型”水鐘的受水杯(見圖5)就做好了。

圖5 “泄水型”水鐘受水杯

(3)檢測水鐘的計時效果與誤差分析

本次檢測“受水型”水鐘裝置計時效果時，采用的飲料瓶有效直徑為5 cm，將“受水型”水鐘，按照標(biāo)記計時時長的刻度(1 min的計時水柱上升刻度長為9 mm)與水滴速度，用秒表每隔1 min記錄一次水滴的滴數(shù)，連續(xù)記錄10 min內(nèi)的水滴情況，記錄數(shù)據(jù)見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，每分鐘的水滴滴數(shù)都在168滴左右，水滴最大差值為3滴，考慮到受水杯直徑5 cm且裝置的最大下降水位差為9 cm，3滴的誤差對“泄水型”水鐘的計時準(zhǔn)確性的影響可以忽略不計，可認(rèn)為“泄水型”水鐘的水滴滴速是勻速的，從而達(dá)到了課本中提出滴速勻速的要求，能夠起到準(zhǔn)確計時的效果。由于本次水鐘計時實驗效果測試，是由2人同時操作，1人計時，另1人數(shù)水滴的滴數(shù)，難免在計數(shù)的過程中存在計時提前或延緩、數(shù)水滴滴數(shù)漏數(shù)或多數(shù)的情況，從而導(dǎo)致了本次測試實驗所產(chǎn)生的誤差。

表2 每分鐘水滴的滴數(shù)記錄表

4 改進(jìn)后的優(yōu)點

改進(jìn)后的水鐘有以下幾方面優(yōu)點:①利用輸液管上的速度調(diào)節(jié)器，可以很好地解決水鐘滴水速度，控制計時長短的問題；②基于這類水鐘的原理分析、效果檢驗與調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)水滴滴速均勻，使水鐘的計時更準(zhǔn)確；③這兩類水鐘裝置，可以進(jìn)一步做教學(xué)的優(yōu)化處理，只需要改變標(biāo)記計時的刻度位置即可達(dá)到目的；④這兩類水鐘裝置選材容易、結(jié)構(gòu)簡單，使實驗的操作得到了簡化，便于教學(xué)與推廣。