金屬條熱脹冷縮演示儀

皇甫宣政

一、研究背景

一般情況下，鋁、銅、鐵受熱后體積會變大，遇冷后體積會縮小，這種現象被稱為金屬的熱脹冷縮，教科版小學科學五年級下冊第二單元設計了相關的實驗——“觀察銅球的熱脹冷縮”，如圖1所示。這個實驗有以下缺點：無法觀察銅球膨脹的過程，實驗時間長，操作危險，不能更換材料。經過反復琢磨，我研制了性能穩定的金屬條熱脹冷縮演示儀。

二、教具實物圖

三、制作材料

木板（厚度5 mm）、木塊、磁鐵、銅棒（長20 cm，直徑6 mm）、鋁棒（長20 cm，直徑6 mm）、油漆、白乳膠、30 mL玻璃注射器、10 mL塑料注射器、亞克力管（內徑1 mm，壁厚1 mm）、熱熔膠、打火槍、熱縮管、法蘭盤、棉棒等。

四、制作過程

（一）制作裝置框架的散件，然后用白乳膠將其黏合并刷上油漆，如圖3所示。制作裝置框架的要點如下：

1.裝置的木制框架尺寸為：50 cm×10 cm×15 cm。

2.木塊上的小孔直徑為26.5 mm，與玻璃注射器的外徑一樣大，并且要使小孔圓心離地的距離與螺桿離地的距離一致。

3.轉動手柄可以帶動螺桿轉動，從而控制內嵌磁鐵的木塊向左或向右。

4.木塊內磁鐵的“N極”向右。

（二）制作裝置銜接部分的散件，用白乳膠將其黏合并刷上油漆， 如圖4所示。制作裝置銜接部分的要點如下：

1.裝置銜接部分的尺寸為：10 cm×10 cm×25 cm。

2.小孔1的圓心大小、離地距離與底座上的小孔圓心大小、離地距離一致。

3.長方形孔1與長方形孔2大小相等，均為3 cm×2 cm，這兩個孔的功能為固定刻度牌。

4.小孔2、小孔3、小孔4大小相等，直徑均為8 mm，且圓心在同一直線上。這三個小孔的功能為連接與固定亞克力管。

（三）制作刻度牌，并用白乳膠將一根木條固定在刻度牌背面，再噴上清漆，如圖5所示。制作刻度牌的要點如下：

1.制作的刻度牌的尺寸應為：10 cm×2.5 cm×35 cm。

2.刻度牌背面的木條正好可以插入圖4中的長方形孔1與長方形孔2，起固定作用。

（四）將注射器固定在底座上的小孔內，再用熱熔膠將圓形木塊固定在注射器手柄上，木塊內嵌磁鐵，磁鐵的“N極”向左，如圖6所示。

（五）取20 cm鋁棒和20 cm銅棒各一根，在鋁棒、銅棒的兩端各插入一塊圓形木塊，在木塊內嵌入磁鐵，磁鐵“S極”均朝外，如圖7所示。

（六）將裝置各部件拼接在一起，亞克力管兩端通過熱縮管與注射器連接，如圖8所示。

五、使用說明

（一）將裝置放置在水平桌面上，轉動手柄調節注射器活塞，使紅墨水液面停留在亞克力管的“0”刻度線上，如圖9所示。

（二）用打火槍加熱鋁棒，鋁棒受熱變長，推動注射器活塞向前移動，從而使亞克力管中的紅墨水液面上升，如圖10所示。

（三）將棉簽吸水后輕輕摩擦鋁棒。鋁棒的溫度降低，長度縮短，推動注射器活塞向后移，使亞克力管中的紅墨水液面下降，如圖11所示。

（四）將鋁棒換成銅棒，重復上述步驟，也可以得出相同的結論。

六、實驗原理

金屬棒受熱膨脹后推動注射器活塞移動，使注射器內的紅墨水流入亞克力管中，亞克力管內的紅墨水液面上升，這說明金屬棒受熱后會變長。亞克力管中紅墨水液面不再上升后，通過讀取刻度牌上紅墨水液面高度差，計算出金屬棒變化的長度。

將棉簽吸水后，在受熱的金屬棒上摩擦，金屬棒遇冷使注射器活塞后移，亞克力管內的紅墨水液面便下降，這說明金屬棒遇冷后變短。通過讀取紅墨水液面的高度差，我們可以計算出金屬棒變化的長度。

大家可以掃一掃圖12的二維碼，觀看金屬條熱脹冷縮演示儀的演示過程。

七、創新點

演示過程直觀。可直接通過紅墨水液面變化觀察金屬棒加熱變長、遇冷變短的過程。

高效便捷。裝置在5秒內就可呈現實驗現象，而銅球熱脹冷縮實驗需要等待60秒左右。

精準無誤。我們可通過讀取紅墨水液面的高度差計算出金屬棒長度變化的具體數值。

安全可靠。教材實驗中的手柄與銅球通過鐵鏈連接，銅球加熱后容易左右搖擺，可能燙傷操作者，而金屬條熱脹冷縮演示儀各部件都是固定的，操作更安全。

八、特別提示

使用打火槍時要注意安全，學生需在老師或家長的陪同下進行。

注意不能用手直接觸碰加熱后的金屬棒，避免燙傷。

如果注射器與活塞密封不好，可將凡士林涂在活塞上。

（欄目編輯：周星星）