趣味玩具在物理课堂教学中的运用——以“饮水鸟”为例

王劲存

(南京师范大学物理科学与技术学院,江苏南京 210046)

1 饮水鸟的介绍

图1

“饮水鸟”是中国古代出现的一种神秘玩具(图1).不用电池,不用发条,只要在鸟头部滴上几滴水,或者把鸟的头部轻轻按在前面的水槽里半分钟然后放开,它就会开始左右摇摆,摇摆几下后就俯身“喝”一口水,然后继续摇摆.在水槽里放满水时能使它一直运动几天,直到水全部蒸发完才会停下.据说曾有人将饮水鸟外层涂黑送给爱因斯坦,爱因斯坦惊呼“永动机又出现了”.当他了解了饮水鸟的内部结构以后,十分赞叹它的设计之精密巧妙.因此饮水鸟也被人称为“让爱因斯坦也吃惊的玩具”.饮水鸟的运动原理是什么呢?维持它运动的能量又来自哪儿?这都让人们产生一种神秘感.如果将这一玩具引入到课堂中来,则能够激发学生的学习兴趣,活跃课堂气氛,提高学习物理知识的热情.下面笔者简要介绍“饮水鸟”的运动原理,及其在中学物理课堂教学中的运用.

图2

2 饮水鸟的结构及运动原理

饮水鸟主体是由一根玻璃管连接两个玻璃泡,如图2所示:玻璃泡内装有易挥发的液体乙醚,头泡上裹有棉布.鸟嘴里有吸水性很强的棉线,棉线与头部的棉布相连.要使饮水鸟开始运动,需先在头泡上的棉布上滴几滴水,由于水蒸发带走热量,使得头泡温度降低.此时头泡内的乙醚饱和蒸气受冷凝结,头泡内气体压强降低,因此管内的乙醚液体在尾泡气体压强的作用下沿管上升,使整个装置的重心高度上升.当重心上升到支点以上时,鸟就会在重力的作用下倾倒,鸟嘴浸入前面的水槽内,完成“喝水”动作.此时玻璃管尾端正好露出液面,头部与尾部玻璃泡的气体连通,乙醚液体会在重力作用下倒流回尾部玻璃泡,饮水鸟又恢复直立.同时由于毛细现象,水槽内的水通过鸟嘴内的棉线传递到头泡的棉布上,以补充蒸发的水,保证整个装置持续运动.

3 饮水鸟涉及的物理知识及在物理教学中的应用

饮水鸟并不是永动机,要解释它的工作原理,涉及到的物理知识主要有气体压强、重心、力矩、毛细现象、热力学定律与能量守恒定律等.在物理教学中,可以利用饮水鸟这一新奇的玩具来激发学生的认知冲突,创设对学生极富吸引力的物理问题情境,从而达到良好的教学效果.下面来具体进行分析.

3.1 气体压强

在头部玻璃泡内乙醚蒸气凝结后,气体的数量减少,因此压强变小,玻璃管内的乙醚液体在头、尾部气体压强差的作用下沿管上升.这一现象可在理想气体状态方程的教学中进行演示.教师还可以继续提问:除了使头部玻璃泡受冷外,还有什么办法能使管中的液体上升?学生根据学过的知识很快能想到:给尾部玻璃泡加热也可以产生压强差.这时教师拿出打火机给尾部加热后,学生就会欣喜的看到饮水鸟同样运动起来了,从而体会到成功的快乐.

3.2 重心和力矩

当管中乙醚液体上升时,装置的质量分布发生了改变,重心位置上升;当管中的乙醚液体回流时,重心位置下降.当重心高于支点时,整个装置将处于不稳定平衡,又由于装置受到一个逆时针方向的重力矩,从而使饮水鸟倾倒.教师可以由此启发学生得出重心和物体的质量分布有关的结论:同样形状的物体,质量分布不同,重心的位置也不同.

3.3 毛细现象

在观看饮水鸟运动的时候,许多学生可能会有这样的疑问:饮水鸟为什么能一直运动呢,水槽里的水是怎么转移到饮水鸟头部去的呢?这是由于毛细作用的结果.饮水鸟的嘴部是由外壳包裹着棉线做成的.当鸟俯下身子时,鸟的嘴部浸入到水槽中.由于毛细作用,水就会沿着嘴内的棉线吸入到头部的棉布上去.随着饮水鸟的一次次俯身,水槽里的水便源源不断的吸到鸟的头部了.在物理教学中,教师可以让学生思考为什么鸟的头部可以一直保持湿润,从而引入到毛细现象的教学中.

3.4 热力学定律与能量守恒定律

饮水鸟并不违背热力学第一定律,只是由于它所消耗的能量不易察觉,才被误认为像永动机我们可以将饮水鸟看成一个热机,尾部玻璃泡周围的空气是热源,包在鸟头上的湿棉布是冷源,它通过降温获得温差,从而驱动热机工作.在教学中讲授能量守恒时,如果将饮水鸟作为一个“永动机”展示给学生,可以极大的提高学生的兴趣.为了证明能量是从空气中得到的,教师可以用隔热的烧杯把饮水鸟罩起来,一段时间以后其运动会停下来.当学生最后了解了饮水鸟的原理之后,就会对能量守恒定律有更为深刻的认识.

4 反思

趣味玩具中蕴含了非常丰富的物理知识,能呈现物理现象,显示物理规律,其鲜艳的色彩、神奇的现象、设计的巧妙、精美的外观能牢牢抓住学生的目光,活跃了课堂的气氛,是一种优良的非课程资源,比学校里的实验器材更具有趣味性、生动性,使学生在好奇中愉快地学习物理.教师应努力发掘玩具在教学中的应用价值,揭示玩具的科学原理,将作为非课程资源的玩具课程化,通过课件的形式应用到物理课堂教学中.或者作为课堂的延伸,在教师指导下,以研究性学习的方式提供给学生进行自学,提高学生科学素养与解决实际问题的能力,使玩具成为有用的课程资源,最大限度的发挥玩具的教育教学功能.这样不仅能够调动学生积极性和学习兴趣,而且能起到更好的教学效果.

1 骆文洲.对“重心类科学玩具”课程化的研究.物理通报,2009(5).

2 姚武斌.玩具移用法和挖掘潜力法在物理实验教学中的实践.物理教师,2003(5).

3 杨瑞博.饮水鸟中的热力学原理.现代物理知识,2007(2).

4 张春燕,吴伟.不倦的饮水鸟.中学生数理化(初中版),2005(1).

5 张世营,季倬.对“离心类”科学玩具的课程化研究.物理通报,2009(12).