“看得見的熱氣流”實(shí)驗(yàn)裝置

圖1

圖2

選題目的

熱氣流存在于我們?nèi)粘５纳钪校话愫茈y見到它，只是偶爾可以在夏天的馬路上遠(yuǎn)遠(yuǎn)瞧見它那飄忽不定的身影。所以，在讓學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識(shí)時(shí)，我們通常會(huì)讓他們用手去感受或借助其他物品間接地來了解熱空氣的存在而不是用眼睛去看。本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)讓學(xué)生看到熱空氣的身影并在此基礎(chǔ)上開展一些與之有關(guān)的有趣實(shí)驗(yàn)。

方案設(shè)計(jì)

當(dāng)一個(gè)熱源加熱它周圍的空氣時(shí)，空氣因?yàn)槊芏茸冃【蜁?huì)向上升，同時(shí)，周圍的冷空氣補(bǔ)充過來，造成連續(xù)不斷的熱空氣向上流動(dòng)，形成熱氣流。由于熱空氣一般情況下不可見，所以，在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，我們要么讓學(xué)生用手在熱源上方感受上升的熱氣流，要么借助輕薄的紙條或塑料袋來演示。那么，有什么辦法讓熱空氣看得見呢？

在陽光的照射下，不同密度的空氣對光的折射不同，從而讓人的眼睛能看到向上流動(dòng)的熱空氣。利用這一原理，我設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，它能顯示熱氣流的流動(dòng)身影并能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

裝置結(jié)構(gòu)

該裝置由熱源實(shí)驗(yàn)箱體、光源和拓展性實(shí)驗(yàn)器材構(gòu)成（見圖1）。

在原先設(shè)計(jì)時(shí)，熱源采用3支蠟燭，這樣可以提高實(shí)驗(yàn)的安全性。但是，考慮到蠟燭火焰碰到物體時(shí)容易產(chǎn)生黑色煙氣，從而誤把煙氣當(dāng)作熱氣流的影子，所以，改用固體酒精。固體酒精燃燒盤放置在一個(gè)專用的底座上，這一底座可以在箱體的底板上移動(dòng)，因?yàn)樵诘装迳香@有對應(yīng)的小孔，這樣可以讓熱源底板穩(wěn)定地放置又能前后移動(dòng)。同時(shí)，底座上的小孔為酒精燃燒提供空氣來源。玻璃箱體

有兩個(gè)作用：一是可以穩(wěn)定熱氣流，二是用箱體的一側(cè)作顯示屏。裝置的光源采用150瓦的聚光源，這樣可以得到明亮的光線，有利于成像。

工作原理

當(dāng)固體酒精在箱體內(nèi)燃燒時(shí)，火焰上方隨即出現(xiàn)熱氣流，由于有箱體的遮擋，外界不穩(wěn)定因素不易干擾，使得熱氣流能較穩(wěn)定地上升。當(dāng)打開150瓦光源時(shí)，光線穿過密度不均的熱氣流，在箱體的一側(cè)形成明暗不同的熱氣流影像，這樣，就形成了看得見的熱氣流。如果移動(dòng)熱源底板，可以在屏幕上得到不同大小和清晰度的像。

圖3

圖4

拓展性實(shí)驗(yàn)

在生活中，有許多現(xiàn)象與熱氣流有關(guān)。利用這一實(shí)驗(yàn)裝置，我們可以清晰地看到熱氣流是怎樣對物體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的。

熱氣流使輕物體上升

圖2是用1張兩端有小孔的紙片掛在熱源底座兩側(cè)的滑桿上，當(dāng)蠟燭點(diǎn)燃時(shí)，可以看到熱氣流把紙片向上托起。熱源用鐵質(zhì)圓錐形筒包裹，可以集中熱氣流，使實(shí)驗(yàn)效果明顯。在實(shí)驗(yàn)中，在光屏上可以看到熱氣流作用在紙片上的效果。

熱氣流對不同形狀物體的影響

流動(dòng)的空氣對不同形狀的物體會(huì)產(chǎn)生不同的影響和效果，有時(shí)氣流會(huì)沿著物體表面行進(jìn)，有時(shí)會(huì)在物體前面打起漩渦等等，為了減少阻力或者提高穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)汽車、輪船、飛機(jī)等物體時(shí)必須考慮這種流體影響作用。利用這一裝置可以直觀、清晰地看到熱氣流作用在不同物體上產(chǎn)生的流動(dòng)狀況，從而讓學(xué)生了解現(xiàn)代交通工具外形設(shè)計(jì)的依據(jù)。

降落傘中間開孔的秘密

許多大型降落傘的中間都有一個(gè)孔洞，這是為了讓降落傘下降穩(wěn)定而設(shè)置的。那么，氣流對不同的降落傘有什么不同的作用呢？為什么開了孔的降落傘能穩(wěn)定？通過本裝置的實(shí)驗(yàn)（見圖3與圖4），可以清晰地看到形似降落傘物體旁邊的氣流狀態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)裝置可用于小學(xué)、中學(xué)的科學(xué)課、拓展課等學(xué)習(xí)活動(dòng)中，讓學(xué)生直觀了解現(xiàn)代交通工具外形設(shè)計(jì)的一些科學(xué)依據(jù)，具有較好的演示與教學(xué)效果。

進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想

光源可以與整個(gè)箱體裝置組合成一體，便于攜帶、使用。

該項(xiàng)目獲得第26屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

該作品利用投影方式將熱空氣的運(yùn)動(dòng)軌跡展示出來，一定程度上解決了人們觀察熱空氣的難點(diǎn)。該作品具有較突出的創(chuàng)新性，對教育與教學(xué)中幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)熱空氣流動(dòng)的規(guī)律作用明顯，具有一定的示范和推廣價(jià)值。