趣味玩具在物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用——以“飲水鳥”為例

王勁存

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210046)

1 飲水鳥的介紹

圖1

“飲水鳥”是中國古代出現(xiàn)的一種神秘玩具(圖1).不用電池,不用發(fā)條,只要在鳥頭部滴上幾滴水,或者把鳥的頭部輕輕按在前面的水槽里半分鐘然后放開,它就會(huì)開始左右搖擺,搖擺幾下后就俯身“喝”一口水,然后繼續(xù)搖擺.在水槽里放滿水時(shí)能使它一直運(yùn)動(dòng)幾天,直到水全部蒸發(fā)完才會(huì)停下.據(jù)說曾有人將飲水鳥外層涂黑送給愛因斯坦,愛因斯坦驚呼“永動(dòng)機(jī)又出現(xiàn)了”.當(dāng)他了解了飲水鳥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以后,十分贊嘆它的設(shè)計(jì)之精密巧妙.因此飲水鳥也被人稱為“讓愛因斯坦也吃驚的玩具”.飲水鳥的運(yùn)動(dòng)原理是什么呢?維持它運(yùn)動(dòng)的能量又來自哪兒?這都讓人們產(chǎn)生一種神秘感.如果將這一玩具引入到課堂中來,則能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,活躍課堂氣氛,提高學(xué)習(xí)物理知識(shí)的熱情.下面筆者簡(jiǎn)要介紹“飲水鳥”的運(yùn)動(dòng)原理,及其在中學(xué)物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用.

圖2

2 飲水鳥的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理

飲水鳥主體是由一根玻璃管連接兩個(gè)玻璃泡,如圖2所示:玻璃泡內(nèi)裝有易揮發(fā)的液體乙醚,頭泡上裹有棉布.鳥嘴里有吸水性很強(qiáng)的棉線,棉線與頭部的棉布相連.要使飲水鳥開始運(yùn)動(dòng),需先在頭泡上的棉布上滴幾滴水,由于水蒸發(fā)帶走熱量,使得頭泡溫度降低.此時(shí)頭泡內(nèi)的乙醚飽和蒸氣受冷凝結(jié),頭泡內(nèi)氣體壓強(qiáng)降低,因此管內(nèi)的乙醚液體在尾泡氣體壓強(qiáng)的作用下沿管上升,使整個(gè)裝置的重心高度上升.當(dāng)重心上升到支點(diǎn)以上時(shí),鳥就會(huì)在重力的作用下傾倒,鳥嘴浸入前面的水槽內(nèi),完成“喝水”動(dòng)作.此時(shí)玻璃管尾端正好露出液面,頭部與尾部玻璃泡的氣體連通,乙醚液體會(huì)在重力作用下倒流回尾部玻璃泡,飲水鳥又恢復(fù)直立.同時(shí)由于毛細(xì)現(xiàn)象,水槽內(nèi)的水通過鳥嘴內(nèi)的棉線傳遞到頭泡的棉布上,以補(bǔ)充蒸發(fā)的水,保證整個(gè)裝置持續(xù)運(yùn)動(dòng).

3 飲水鳥涉及的物理知識(shí)及在物理教學(xué)中的應(yīng)用

飲水鳥并不是永動(dòng)機(jī),要解釋它的工作原理,涉及到的物理知識(shí)主要有氣體壓強(qiáng)、重心、力矩、毛細(xì)現(xiàn)象、熱力學(xué)定律與能量守恒定律等.在物理教學(xué)中,可以利用飲水鳥這一新奇的玩具來激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,創(chuàng)設(shè)對(duì)學(xué)生極富吸引力的物理問題情境,從而達(dá)到良好的教學(xué)效果.下面來具體進(jìn)行分析.

3.1 氣體壓強(qiáng)

在頭部玻璃泡內(nèi)乙醚蒸氣凝結(jié)后,氣體的數(shù)量減少,因此壓強(qiáng)變小,玻璃管內(nèi)的乙醚液體在頭、尾部氣體壓強(qiáng)差的作用下沿管上升.這一現(xiàn)象可在理想氣體狀態(tài)方程的教學(xué)中進(jìn)行演示.教師還可以繼續(xù)提問:除了使頭部玻璃泡受冷外,還有什么辦法能使管中的液體上升?學(xué)生根據(jù)學(xué)過的知識(shí)很快能想到:給尾部玻璃泡加熱也可以產(chǎn)生壓強(qiáng)差.這時(shí)教師拿出打火機(jī)給尾部加熱后,學(xué)生就會(huì)欣喜的看到飲水鳥同樣運(yùn)動(dòng)起來了,從而體會(huì)到成功的快樂.

3.2 重心和力矩

當(dāng)管中乙醚液體上升時(shí),裝置的質(zhì)量分布發(fā)生了改變,重心位置上升;當(dāng)管中的乙醚液體回流時(shí),重心位置下降.當(dāng)重心高于支點(diǎn)時(shí),整個(gè)裝置將處于不穩(wěn)定平衡,又由于裝置受到一個(gè)逆時(shí)針方向的重力矩,從而使飲水鳥傾倒.教師可以由此啟發(fā)學(xué)生得出重心和物體的質(zhì)量分布有關(guān)的結(jié)論:同樣形狀的物體,質(zhì)量分布不同,重心的位置也不同.

3.3 毛細(xì)現(xiàn)象

在觀看飲水鳥運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,許多學(xué)生可能會(huì)有這樣的疑問:飲水鳥為什么能一直運(yùn)動(dòng)呢,水槽里的水是怎么轉(zhuǎn)移到飲水鳥頭部去的呢?這是由于毛細(xì)作用的結(jié)果.飲水鳥的嘴部是由外殼包裹著棉線做成的.當(dāng)鳥俯下身子時(shí),鳥的嘴部浸入到水槽中.由于毛細(xì)作用,水就會(huì)沿著嘴內(nèi)的棉線吸入到頭部的棉布上去.隨著飲水鳥的一次次俯身,水槽里的水便源源不斷的吸到鳥的頭部了.在物理教學(xué)中,教師可以讓學(xué)生思考為什么鳥的頭部可以一直保持濕潤,從而引入到毛細(xì)現(xiàn)象的教學(xué)中.

3.4 熱力學(xué)定律與能量守恒定律

飲水鳥并不違背熱力學(xué)第一定律,只是由于它所消耗的能量不易察覺,才被誤認(rèn)為像永動(dòng)機(jī)我們可以將飲水鳥看成一個(gè)熱機(jī),尾部玻璃泡周圍的空氣是熱源,包在鳥頭上的濕棉布是冷源,它通過降溫獲得溫差,從而驅(qū)動(dòng)熱機(jī)工作.在教學(xué)中講授能量守恒時(shí),如果將飲水鳥作為一個(gè)“永動(dòng)機(jī)”展示給學(xué)生,可以極大的提高學(xué)生的興趣.為了證明能量是從空氣中得到的,教師可以用隔熱的燒杯把飲水鳥罩起來,一段時(shí)間以后其運(yùn)動(dòng)會(huì)停下來.當(dāng)學(xué)生最后了解了飲水鳥的原理之后,就會(huì)對(duì)能量守恒定律有更為深刻的認(rèn)識(shí).

4 反思

趣味玩具中蘊(yùn)含了非常豐富的物理知識(shí),能呈現(xiàn)物理現(xiàn)象,顯示物理規(guī)律,其鮮艷的色彩、神奇的現(xiàn)象、設(shè)計(jì)的巧妙、精美的外觀能牢牢抓住學(xué)生的目光,活躍了課堂的氣氛,是一種優(yōu)良的非課程資源,比學(xué)校里的實(shí)驗(yàn)器材更具有趣味性、生動(dòng)性,使學(xué)生在好奇中愉快地學(xué)習(xí)物理.教師應(yīng)努力發(fā)掘玩具在教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值,揭示玩具的科學(xué)原理,將作為非課程資源的玩具課程化,通過課件的形式應(yīng)用到物理課堂教學(xué)中.或者作為課堂的延伸,在教師指導(dǎo)下,以研究性學(xué)習(xí)的方式提供給學(xué)生進(jìn)行自學(xué),提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與解決實(shí)際問題的能力,使玩具成為有用的課程資源,最大限度的發(fā)揮玩具的教育教學(xué)功能.這樣不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和學(xué)習(xí)興趣,而且能起到更好的教學(xué)效果.

1 駱文洲.對(duì)“重心類科學(xué)玩具”課程化的研究.物理通報(bào),2009(5).

2 姚武斌.玩具移用法和挖掘潛力法在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐.物理教師,2003(5).

3 楊瑞博.飲水鳥中的熱力學(xué)原理.現(xiàn)代物理知識(shí),2007(2).

4 張春燕,吳偉.不倦的飲水鳥.中學(xué)生數(shù)理化(初中版),2005(1).

5 張世營,季倬.對(duì)“離心類”科學(xué)玩具的課程化研究.物理通報(bào),2009(12).