基于熱縮冷脹特性的“陽(yáng)光轉(zhuǎn)輪”

郭倩倩 任想河 夏清華

摘? 要：介紹了一種物體熱縮冷脹特性演示儀器的設(shè)計(jì)與制作方法。利用了橡膠在局部受熱收縮的特性，在對(duì)稱布滿橡皮筋的轉(zhuǎn)輪上受熱收縮使重心偏移驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。儀器設(shè)計(jì)巧妙，價(jià)格低廉，易于操作，現(xiàn)象明顯的優(yōu)點(diǎn)，還可以激發(fā)學(xué)生興趣。

關(guān)鍵詞：橡皮筋;熱縮冷脹;反常態(tài)

中圖分類號(hào)：O414.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0003-02

Abstract： The design and manufacture method of a demonstration instrument for thermal contraction and cold expansion of objects are introduced in this paper. Taking advantage of the characteristics of local heating shrinkage of rubber， the center of gravity is shifted to drive the rotation of the runner when the wheel is symmetrically covered with rubber bands. The instrument design is ingenious， the price is low， easy to operate， the phenomenon obvious， but also can stimulate the interest of students.

Keywords： rubber band; thermal contraction and cold expansion; abnormal state

通常物體具有熱脹冷縮性質(zhì)，但有些物質(zhì)在特定條件下具有熱縮冷脹這一反常態(tài)現(xiàn)象。如：橡膠受熱時(shí)均出現(xiàn)該現(xiàn)象。特設(shè)計(jì)白熾燈光照射橡皮筋使其受熱收縮，打破了原來(lái)受力平衡，轉(zhuǎn)輪會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)輪開始旋轉(zhuǎn)后，被加熱的橡皮筋離開燈泡的加熱范圍，重新變冷后舒張，而原來(lái)冷卻的橡皮筋被加熱，開始收縮。這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程，轉(zhuǎn)輪就這樣在燈泡熱能的驅(qū)動(dòng)下持續(xù)旋轉(zhuǎn)。如圖1所示。

圖1

1 實(shí)驗(yàn)儀器

如圖2所示，是陽(yáng)光轉(zhuǎn)輪演示儀的實(shí)物圖正面和側(cè)面，使用亞克力板制作而成。主要由底座，中間小轉(zhuǎn)盤，外面大轉(zhuǎn)，橡皮筋以及連接小轉(zhuǎn)盤和底座的軸承組成。大轉(zhuǎn)盤和小轉(zhuǎn)盤之間用橡皮筋來(lái)連接，橡皮筋拉伸長(zhǎng)度在14cm，這樣用燈光照射之后能夠現(xiàn)象明顯。

2 制作設(shè)計(jì)流程

2.1 大輪與小輪的設(shè)計(jì)

如圖3所示，為了使轉(zhuǎn)輪能夠使局部加熱重心偏移而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，所以需要設(shè)計(jì)圓形外形，而且橡皮筋分布需要對(duì)稱均勻分布。中間的小輪使用半徑為5.5cm，厚度為5mm的亞克力板，齒形如圖所示，中間留有小孔，用來(lái)放置軸承。外面的大輪采用半徑為12.5cm和半徑為17.5cm的同心圓環(huán)，齒形如圖所示。內(nèi)環(huán)外環(huán)分別有24個(gè)小鉤，相鄰角度為15°。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)一片亞克力板會(huì)受到橡皮筋的拉力而扭曲，為了使所有橡皮筋受力在同一平面內(nèi)，減少偶然誤差，所以在原本支撐橡皮筋的亞克力板前后添加了各一片的亞克力板形成了三明治造型。如圖4所示。

測(cè)試時(shí)，重心位置不僅與橡皮筋及亞克力板本身受力均勻度的影響，還要注意不同橡皮筋的拉力會(huì)有差異，方便調(diào)整重心，使重心在軸承位置。在懸掛橡皮筋時(shí)先掛對(duì)稱位置而且兩對(duì)應(yīng)位置的橡皮筋拉長(zhǎng)的長(zhǎng)度需要大致相同。

2.2 底座的設(shè)計(jì)

為了增加儀器的美觀性，底座也采用的是亞克力板材料?？紤]到方便攜帶，采用的是組裝式設(shè)計(jì)，高度為39cm，可以讓轉(zhuǎn)輪順利的旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。三角形具有穩(wěn)定性，所以組裝后為三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。軸承的位置要足夠的支撐力，綜合考慮下采用了插銷結(jié)合的方式，并且在軸承位置，用增加厚度的亞克力板來(lái)增加支撐力。

2.3 軸承的選用

實(shí)驗(yàn)過程中有很多外界條件會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的完整性和明顯性，在實(shí)驗(yàn)的過程中為了減少摩擦力的影響，使重心改變時(shí)能夠明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)，我們采用的是玩具小車車輪的轉(zhuǎn)軸。

2.4 橡皮筋的選用

根據(jù)橡皮筋內(nèi)部材料組成不同，其熱縮效果也不同，本實(shí)驗(yàn)選用的是自行車氣門芯用橡皮筋、女生扎頭發(fā)用的橡皮筋、醫(yī)用橡皮筋、長(zhǎng)條魔術(shù)氣球來(lái)試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后選用的是女生扎頭發(fā)用的橡皮筋效果更好。

3 實(shí)驗(yàn)過程及注意事項(xiàng)

（1）固定好底座使三個(gè)部件連接緊密。

（2）選用粗細(xì)、長(zhǎng)短大致相同的橡皮筋若干，每?jī)蓚€(gè)橡皮筋為一組，對(duì)稱掛在大輪和小輪之間，掛滿后安裝輪軸，并且輪軸固定在底座上。

（3）固定好燈源后，調(diào)整燈面位置，使燈面與輪軸水平且在橡皮筋前方。打開電源片刻，橡皮筋受熱吸收后，重心改變，開始轉(zhuǎn)動(dòng)。用硬紙板調(diào)整遮光比例為30%、40%、50%、60%、70%，觀察“陽(yáng)光轉(zhuǎn)輪”轉(zhuǎn)速變化。

（4）改變每組橡皮筋個(gè)數(shù)，重復(fù)上述操作。

（5）把每組橡皮筋個(gè)數(shù)設(shè)置為3個(gè)，重復(fù)操作3。對(duì)比不同個(gè)數(shù)的橡皮筋分別在不同遮光比例下的轉(zhuǎn)速的變化。

（6）在實(shí)驗(yàn)的過程中，可以在轉(zhuǎn)輪的背面要放一塊平面鏡，實(shí)驗(yàn)效果更好，因?yàn)橥ㄟ^平面鏡后光線可以反射，可以使能量得到充分利用。

（7）由于亞克力板和橡皮筋都具有“老化”性質(zhì)，在儲(chǔ)存時(shí)要儲(chǔ)存在陰涼地方，橡皮筋在使用兩到三次后要及時(shí)更換橡皮筋，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

“陽(yáng)光轉(zhuǎn)輪”演示儀演示了橡膠受熱會(huì)收縮這一“反常態(tài)”現(xiàn)象，在這個(gè)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，不同類型的橡膠對(duì)“陽(yáng)光轉(zhuǎn)輪”的轉(zhuǎn)速影響不大，而每組橡皮筋的個(gè)數(shù)會(huì)影響“陽(yáng)光轉(zhuǎn)輪”的轉(zhuǎn)速，遮陽(yáng)比例大于或小于50%都將使轉(zhuǎn)速減?。ㄒ部捎衫碚摲治龅玫剑?。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以形象直觀地了解到橡皮筋“反常態(tài)”特性，提高動(dòng)手操作能力，激發(fā)學(xué)生興趣。

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