金屬條熱脹冷縮演示儀

廣東省佛山市南海區(qū)德勝學(xué)校 皇甫宣政

一、研究背景

一般情況下，鋁、銅、鐵受熱后體積會(huì)變大，遇冷后體積會(huì)縮小，這種現(xiàn)象被稱為金屬的熱脹冷縮，教科版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)第二單元設(shè)計(jì)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)——“觀察銅球的熱脹冷縮”，如圖1 所示。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有以下缺點(diǎn)：無(wú)法觀察銅球膨脹的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，操作危險(xiǎn)，不能更換材料。經(jīng)過(guò)反復(fù)琢磨，我研制了性能穩(wěn)定的金屬條熱脹冷縮演示儀。

圖1 教材中的“觀察銅球的熱脹冷縮”實(shí)驗(yàn)

二、教具實(shí)物圖

圖2 金屬條熱脹冷縮演示儀

三、制作材料

木板（厚度5 mm）、木塊、磁鐵、銅棒（長(zhǎng)20 cm，直徑6 mm）、鋁棒（長(zhǎng)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(nèi)徑1 mm，壁厚1 mm）、熱熔膠、打火槍、熱縮管、法蘭盤(pán)、棉棒等。

四、制作過(guò)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(diǎn)如下：

圖3 裝置框架

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(zhuǎn)動(dòng)手柄可以帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制內(nèi)嵌磁鐵的木塊向左或向右。

4.木塊內(nèi)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(diǎn)如下：

圖4 裝置銜接部分

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(zhǎng)方形孔1 與長(zhǎng)方形孔2 大小相等，均為3 cm×2 cm，這兩個(gè)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(gè)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(diǎn)如下：

圖5 刻度牌

1.制作的刻度牌的尺寸應(yīng)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(zhǎng)方形孔1 與長(zhǎng)方形孔2，起固定作用。

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

圖6 注射器

（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(nèi)嵌入磁鐵，磁鐵“S 極”均朝外，如圖7 所示。

圖7 鋁棒和銅棒

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

圖8 金屬條熱脹冷縮演示儀

五、使用說(shuō)明

（一）將裝置放置在水平桌面上，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄調(diào)節(jié)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。

圖9 紅墨水液面停留在“0”刻度線上

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

圖10 紅墨水液面上升

（三）將棉簽吸水后輕輕摩擦鋁棒。鋁棒的溫度降低，長(zhǎng)度縮短，推動(dòng)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。

圖11 紅墨水液面下降

（四）將鋁棒換成銅棒，重復(fù)上述步驟，也可以得出相同的結(jié)論。

六、實(shí)驗(yàn)原理

金屬棒受熱膨脹后推動(dòng)注射器活塞移動(dòng)，使注射器內(nèi)的紅墨水流入亞克力管中，亞克力管內(nèi)的紅墨水液面上升，這說(shuō)明金屬棒受熱后會(huì)變長(zhǎng)。亞克力管中紅墨水液面不再上升后，通過(guò)讀取刻度牌上紅墨水液面高度差，計(jì)算出金屬棒變化的長(zhǎng)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(nèi)的紅墨水液面便下降，這說(shuō)明金屬棒遇冷后變短。通過(guò)讀取紅墨水液面的高度差，我們可以計(jì)算出金屬棒變化的長(zhǎng)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(guò)程。

圖12 作品演示二維碼

七、創(chuàng)新點(diǎn)

演示過(guò)程直觀?？芍苯油ㄟ^(guò)紅墨水液面變化觀察金屬棒加熱變長(zhǎng)、遇冷變短的過(guò)程。

高效便捷。裝置在5 秒內(nèi)就可呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而銅球熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)需要等待60 秒左右。

精準(zhǔn)無(wú)誤。我們可通過(guò)讀取紅墨水液面的高度差計(jì)算出金屬棒長(zhǎng)度變化的具體數(shù)值。

安全可靠。教材實(shí)驗(yàn)中的手柄與銅球通過(guò)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(shí)要注意安全，學(xué)生需在老師或家長(zhǎng)的陪同下進(jìn)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。