简易汽油机的研制及教学应用

广东省东莞市桥头中学(523520) 侯兆军

随着物理教学的不断发展,实验教具也在不断地发展。在原有实验资源不能满足教学需求时,教师应该设计新颖科学的实验装置,创新实验教具,优化教学手段和过程,更加有效地实现教学目标。笔者针对初中物理 “汽油机”传统教学的不足和局限性,制作出了一种 “简易的汽油机”用于物理教学,优化了教学过程,提高了教学效果。

1 汽油机实验教具制作的必要性

热机的发明使人类进入了“蒸汽时代”和工业社会,对人类社会的发展起到了重要作用。在初中新课程标准中,对该教学内容的要求是认识热机的工作原理及热机使用对社会发展的作用,对初中学生来说具有一定的难度。

目前“汽油机工作过程”的教学现状主要有:①使用“四冲程汽油机教学挂图”来教学;②使用实验室的“汽油机模型”来教学;③播放电脑动画教学。这些教学方式虽然对汽油机的教学起了一定的辅助作用,但都有一个致命缺点,就是不真实,属于纸上谈兵,学生通过想象和推理来进行学习,并没有获得对汽油机工作的真实感受和体验,认识不深刻,不能从根本上解决教学中内容抽象、教学难度大的问题。

如果在教学中使用真正的汽油机进行演示呢?当然不可行,因为生活中的汽油机气缸不透明、转速快,很难清楚的观察到其工作过程。鉴于初中物理中同样重要的其他教学内容,如电动机、发电机、电磁铁等都有实物装置在教学演示中使用,为了填补汽油机实物教具这一空白,笔者制作了一种真实、可分解、外观透明、易观察的简易汽油机,实际演示汽油机的吸气、压缩、点火做功、排气冲程,使学生真实感受到汽油机的工作过程。

2 实验原理和制作改进

经过构思和实验,笔者根据 “用电子打火机在塑料注射器内点燃酒精,燃气推动活塞做功”的实验原理,制作了简易汽油机,汽油机实物图如图1所示。

图1 简易汽油机实物图

笔者选择60 m L的一次性塑料注射器做 “气缸和活塞”,因为它密封性、灵活性、安全性都很好,且取材便宜又便于加工。选择电子打火机的火花头做 “火花塞”,把火花头延长通过注射孔封入注射筒底。选择市场供水管配套1/4铜阀门,作为 “进气门”和 “排气门”,在注射器底部钻2个孔,嵌入铜阀门,与火花头距离约3 mm。把注射器筒口朝下,用不锈钢锁扣和螺钉固定在不锈钢台架上。

通过反复实验,为了达到更好的实验效果,笔者又做了以下改进。

(1)用酒精代替汽油做实验清洁环保不产生黑烟,又保证了注射器的透明度,便于观察。

(2)在进气门上方接上有棉垫的塑料过滤器,使酒精缓慢进入气门,与空气混合均匀;在注射筒后方设深蓝背景屏,衬托火花和燃烧火焰。

(3)由于活塞冲击力很大,需要在其冲出前将其挡住,故设置下止横梁以确保安全。

(4)用不锈钢杠杆做“曲轴”,将活塞的冲击能量传递到自行车轮做的“飞轮”上,显示酒精燃烧后内能转化为机械能的原理。

3 实验演示教学和体验教学

在“汽油机”教学中,笔者用自制的简易汽油机(如图2所示)来进行实验演示收到了非常好的教学效果。当实验器材摆上讲台时,学生的注意力和好奇心立即被吸引过来,他们饶有兴致地了解它的结构后,就催促教师进行演示和说明。

图2 改进后的简易汽油机实物图

3.1 吸气冲程

将活塞推至筒底,关闭2个阀门,在进气门上方过滤器内滴入3滴酒精,然后打开进气门,缓慢向下拉动活塞,吸入酒精和空气混合物,体积约为注射筒体积的4/5。

3.2 压缩冲程

关闭进气门,缓慢推动活塞向上运动,约至2/3注射筒处,实验者会感到压强增大,用手摸筒壁,可感到温度升高,说明机械能转化为内能;同时,复位弹簧将杠杆升到活塞手柄下方,转轮铁片联动到杠杆自由端下方。

3.3 做功冲程

扳动打火机开关,火花头产生电火花,酒精气体剧烈燃烧,产生火红光芒,同时“嘭”的一声,燃气膨胀做功,推动活塞向下运动,通过杠杆推动车轮快速转动,活塞移至下止点被阻止。这一过程说明:化学能通过燃烧可以转化为内能,内能又通过做功转化为机械能。

3.4 排气冲程

打开排气门,推动活塞向上运动,将废气排出。

3.5 演示能量究竟有多大

鉴于将注射器取下,拿到室外,筒口竖直向上旋转,滴入适量酒精后点火,活塞被“发射”至约8 m高处。

4 教学效果和教具价值

采用本实验教具实施教学后,教学效果有了明显的提升。

4.1 创设了真实的物理过程,化抽象为具体

通过使用简易汽油机演示实际燃烧燃料,推动转盘快速转动的过程,直观真实地显示了汽油机的4个冲程,由于4个冲程可分解演示,实验时可自由分配时间,从而便于学生感受和品味实际的物理过程,便于理解教学内容。经课堂检测,学生对汽油机4个冲程的分辨和描述很清楚,对做功、压缩2个冲程中能量转化的理解也很深刻,教学效果十分明显。

4.2 取得了震撼视听的实验效果,强化了对教学内容的理解

视觉上,可以清楚观察透明注射筒内的火花头、气门等部件,特别是演示 “做功冲程”时,蓝色背景衬托出筒内明亮耀眼的火焰,随后转轮被冲击快速转动;在演示能量有多大时,注射器活塞被 “发射”到约8 m高并伴随着火光,使一些学生情不自禁地惊叫起来;听觉上,气体膨胀、活塞撞击的 “嘭、啪”声,刺激而震撼,使他们久久不能忘怀,体验深刻持久。

4.3 培养了学生的学习兴趣

由于实验时是真实的燃料燃烧,激发了学生强烈的好奇心,使他们的注意力非常集中;用熟悉而平常的日常用品制作教具,破除了神秘感,让学生产生强烈的求知欲;待谜底揭开,对汽油机等热机工作原理心领神会后,学生感到兴奋满足。

4.4 拓展了学习领域,提高了创新实践能力

实验课后,一些学生主动找到笔者,讨论简易汽油机的制作方法,并在课余时间进行模仿制作和优化改进。学生通过观察实验、动手动脑、交流合作、创新制作等活动,培养了敢于质疑、独立思考、勇于探索的科学探究精神,有效地提高了他们的创新和实践能力。

5 教具的不足和前景展望

该教具体积较大、结构不够紧凑、外观比较粗糙不美观,不能调为连续自动运转,希望专家和同行对此教具的改进提出宝贵意见,以期不断完善;更希望有教学仪器厂家在此基础上,设计出汽油机实验教具,批量生产,使 “汽油机”这个难点教学内容早日实现实物体验化教学,让学生易学易懂。