自制低成本汽油机工作原理实验演示仪改进创新及教学应用

谢桂英 彭 妙 余耿华

(1. 广州市执信中学琶洲实验学校,广东 广州 510220; 2. 广州市江南外国语学校,广东 广州 510220； 3. 广东实验中学，广东 广州 510220)

1 教材实验分析

图1 手摇四冲程汽油机模型

与课本配套的初中物理实验室常用的手摇四冲程汽油机模型,如图1所示．各冲程的完成由手动完成,体现不了做功冲程时气缸内燃气的内能转化为机械能的过程．

由于该模型在演示过程是完全由教师通过手摇来完成飞轮的转动、连杆曲轴带动活塞的往复运动、气门的开闭情况．火花塞的点火过程也是通过顶端的小灯泡的闪亮来进行模拟的．整个过程较平淡,难以激发学生的兴趣．缺乏对学生学科素养培养．

该仪器在演示过程中由于结构设计缺陷容易出现故障,特别是顶杆顶开气门的连接处极易脱落,教师为了完成实验往往要经过多次调试才能成功．影响课堂演示效果．

由于该仪器本身体积较小,不利于演示过程的全班学生进行同时观察．有时不得已宁愿使用Flash动画进行演示．然而这样就会失去物理本身实验教学的特点,缺乏实验教学的精神．

图2

笔者基于以上的教学反思和参考目前许多教师在课堂上演示用酒精在塑料瓶内点火将纸团冲出,演示燃料燃烧将内能转化为机械能的过程(如图2),将两者结合将演示实验改进创新自制作了“内燃机做功冲程演示仪”，并将改进创新后教具再次用于课堂教学，取得良好的教学效果.[1]

2 内燃机做功冲程演示仪的改进与制作

(1) 材料.网购长30 cm、内径30 mm、壁厚10 mm的有机玻璃筒(如图3)．取一段长6 cm、直径29 mm的木质活塞,并打磨光滑(如图4)．

图3

图4

(2) 制作流程.在长40 cm的铝条两端开孔,制作成连杆(如图5)．制作一块直径16cm的木质圆板作为飞轮(如图6)．将飞轮和活塞用连杆连接,并在活动处加润滑油(如图7)．在玻璃筒壁上开两个小孔,并将打火机的点火装置拆下,将两条引线伸入筒内保持正对,制成“火花塞”(如图8)．

图5

图6

图7

图8

图9

将玻璃筒、活塞、飞轮组装好后,固定在长木板上,并在玻璃筒顶端开一个小孔(便于注入酒精充当燃料)．最后用胶塞塞住玻璃筒底端防止漏气(如图9、图10)．在木板侧面钻孔,设计可以方便安装和卸下的底座(如图12)．

图10

图11

图12

(3) 内燃机做功冲程演示仪的操作流程.

调节活塞和飞轮在如图10所示的位置,避免连杆与活塞的运行方向在同一条直线上,防止点火时连杆发生弯折而损坏．用细胶管从玻璃筒顶端的小孔中注入打火机中的丁烷气体(按压约5s,如图13)．按压点火器,可以观察到筒内出现一团红蓝相间的火花、飞轮转动4-6圈(如图14)．

图13

图14

(4) 内燃机做功冲程演示仪的优点.

燃料的注入只需要按压打火机的点火按钮,不用滴入酒精的方式,燃料的携带方便,燃料的注入非常简单方便．透明的玻璃筒,能让学生直接观察到做功冲程时气缸内燃料燃烧时产生的火花(体会内能的存在),看到飞轮的转动(感受机械能的产生),从而深刻理解内能转化为机械能的过程．做功冲程活塞将飞轮推动,飞轮由于惯性又将活塞推回筒内,可以非常清晰地演示飞轮的惯性完成排气冲程、吸气冲程等过程．促进了学生积极思考和主动学习,从而顺利突破教学难点．仪器成本低结构简单而牢固,操作方便,效果震撼,可以多次循环使用．该教具能够兼顾全体,每位学生都能够全面具体观察演示过程、利于突破学习的难点．特别是做功过程伴随的声响效果给学生留下立体的深刻的印象,对学生知识的遗忘起到极好的防范作用．演示过程,学生充满期待．教师的演示过程与学生的观察过程促进了师生情感的交流与科学精神的培养．同时教师自制教具的态度也可以感染学生用于面对困难的精神,有利于学生学科素养的养成．

3 内燃机做功冲程演示仪改进后的教学应用片段

3.1 导入情景

师:内燃机就是燃气在一个封闭空间内燃烧,将内能转换为机械能的装置．下面,教师用一个改进版的仪器来演示其工作过程．(教师一边拿出仪器)

3.2 介绍器材

师:这个透明圆柱玻璃筒演示气缸,这是木质活塞,黑色的是连杆,另一端连着飞轮,飞轮转动表示可以带动传动部件使汽车获得动力．(教师边讲解,边指示相应的部件．最后拨打一下飞轮,让飞轮带着活塞往复运动几次,如图15)活塞从气缸的一端运动到另一端的过程叫一个冲程．

图15

3.3 师生互动

师:飞轮要动起来,就必须通过燃烧燃料获得机械能,那么燃料是如何进入气缸的呢?

生:活塞向右(下)运动,把燃料和空气的混合气体吸入气缸中．

师:对了,我们就把这个过程叫做“吸气冲程”．

图16

(教师同时一边将燃起注入到气缸中,一边拨动飞轮,使活塞完成吸气冲程,如图16)

师:吸气冲程,活塞的能量从哪里来的?进气门、排气门分别处于什么状态?

生:飞轮的机械能．进气门打开、排气门关闭．

师:很好．当飞轮运行到底,在飞轮的惯性带动下往回运动时(教师一边缓慢拨动飞轮,演示),进气门、排气门分别处于什么状态?有什么能量的转化过程?

生:进气门、排气门都关闭．飞轮的机械能转化为混合气的内能(优秀的学生可以回答出燃气的温度升高)．

师:非常好．进气门、排气门都关闭时筒内混合气处于压缩状态,因此我们叫此冲程为什么冲程呢?

生:压缩冲程．

师:非常好．当活塞压缩到底,此时混合气体的温度应该最高,此时点火应该为最佳时刻．请同学们注意观察,千万不要眨眼!(教师将事先准备好的点火器插入到气缸内,并点火如图17、图18……)．

图17

图18

生:哇……

师:请问我们看到了哪些现象?

生1:汽缸内出现一团火光.

生2:活塞被气体猛烈推动.

生3:飞轮转动了好几圈

师:大家都观察的很仔细．那么此时进气门、排气门一定处于什么状态?我们应该叫他什么冲程合适呢?

生:进气门、排气门关闭．做功冲程．

师:为什么呢?

生:燃气对活塞做功,将它的内能转化为了飞轮的机械能(可以使汽车获得动力)．

师:大家掌声鼓励!燃气做完功之后就变成废气了,废气需要排出气缸外,此时活塞如何运动?我们应该称之为什么冲程?

生:往回运动．排气冲程．

师:活塞为什么可以往回运动?

生:飞轮的惯性．

师:进气门、排气门处于什么状态?

生:进气门关闭、排气门打开．

3.4 实验小结

师:通过老师刚才的演示,我们就明白了这种内燃机要完成一次工作循环,需要几个冲程呢?做了几次功?飞轮转了几个圈呢?

生:这种内燃机要完成一次工作循环需要4个冲程、做了一次功、飞轮转了两个圈．

师:请同学们回顾我们刚才演示分析这种内燃机分别经历了哪几个冲程?

生:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程

师:汽车在何时获得动力?

生:汽车在做功冲程时获得动力．

师:想象一下如果汽车只有这一个气缸,汽车的运动情况将是怎样的?

生:汽车将猛烈运动一下,然后滑行一段距离．

师:为了使汽车能够获得平稳持续的动力,请大家猜想讨论设计师应该是如何解决的?

3.5 实验评价

该实验器材结构简单而牢固,制作成本低操作方便,效果震撼,可以多次循环使用．改进后,燃料的注入只需要按压打火机的点火按钮,而不用滴入酒精的方式,燃料的携带方便、注入非常简单方便．透明的玻璃筒,能让学生直接观察到做功冲程时气缸内燃料燃烧时产生的火花(体会内能的存在),看到飞轮的转动(感受机械能的产生),从而深刻理解内能转化为机械能的过程．用该教具在所任教教学班进行了演示实验,均能一次成功完成演示．

3.6 教学反思

该仪器的使用汽,在做功冲程活塞直线运动转化为飞轮的转动动,飞轮由于惯性又将活塞推回筒内,可以非常清晰地演示飞轮的惯性完成排气冲程、吸气冲程等过程．促进了学生积极思考和主动学习,从而顺利突破教学难点．该教具能够兼顾全体,每位学生都能够全面具体观察演示过程、利于突破学习的难点．特别是做功过程伴随的声响效果给学生留下立体的深刻的印象,对学生知识的遗忘起到极好的防范作用．演示过程,学生充满期待．教师的演示过程与学生的观察过程促进了师生情感的交流与科学精神的培养．同时教师自制教具的态度也可以感染学生用于面对困难的精神,有利于学生学科素养的养成．