基于热缩冷胀特性的“阳光转轮”

郭倩倩 任想河 夏清华

摘  要：介绍了一种物体热缩冷胀特性演示仪器的设计与制作方法。利用了橡胶在局部受热收缩的特性，在对称布满橡皮筋的转轮上受热收缩使重心偏移驱动转轮转动。仪器设计巧妙，价格低廉，易于操作，现象明显的优点，还可以激发学生兴趣。

关键词：橡皮筋;热缩冷胀;反常态

中图分类号：O414.1        文献标志码：A         文章编号：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

通常物體具有热胀冷缩性质，但有些物质在特定条件下具有热缩冷胀这一反常态现象。如：橡胶受热时均出现该现象。特设计白炽灯光照射橡皮筋使其受热收缩，打破了原来受力平衡，转轮会顺时针转动。转轮开始旋转后，被加热的橡皮筋离开灯泡的加热范围，重新变冷后舒张，而原来冷却的橡皮筋被加热，开始收缩。这是一个循环往复的过程，转轮就这样在灯泡热能的驱动下持续旋转。如图1所示。

图1

1 实验仪器

如图2所示，是阳光转轮演示仪的实物图正面和侧面，使用亚克力板制作而成。主要由底座，中间小转盘，外面大转，橡皮筋以及连接小转盘和底座的轴承组成。大转盘和小转盘之间用橡皮筋来连接，橡皮筋拉伸长度在14cm，这样用灯光照射之后能够现象明显。

2 制作设计流程

2.1 大轮与小轮的设计

如图3所示，为了使转轮能够使局部加热重心偏移而导致旋转，所以需要设计圆形外形，而且橡皮筋分布需要对称均匀分布。中间的小轮使用半径为5.5cm，厚度为5mm的亚克力板，齿形如图所示，中间留有小孔，用来放置轴承。外面的大轮采用半径为12.5cm和半径为17.5cm的同心圆环，齿形如图所示。内环外环分别有24个小钩，相邻角度为15°。

在实验的过程中，发现一片亚克力板会受到橡皮筋的拉力而扭曲，为了使所有橡皮筋受力在同一平面内，减少偶然误差，所以在原本支撑橡皮筋的亚克力板前后添加了各一片的亚克力板形成了三明治造型。如图4所示。

测试时，重心位置不仅与橡皮筋及亚克力板本身受力均匀度的影响，还要注意不同橡皮筋的拉力会有差异，方便调整重心，使重心在轴承位置。在悬挂橡皮筋时先挂对称位置而且两对应位置的橡皮筋拉长的长度需要大致相同。

2.2 底座的设计

为了增加仪器的美观性，底座也采用的是亚克力板材料。考虑到方便携带，采用的是组装式设计，高度为39cm，可以让转轮顺利的旋转，如图5所示。三角形具有稳定性，所以组装后为三角形稳定结构。轴承的位置要足够的支撑力，综合考虑下采用了插销结合的方式，并且在轴承位置，用增加厚度的亚克力板来增加支撑力。

2.3 轴承的选用

实验过程中有很多外界条件会影响实验的完整性和明显性，在实验的过程中为了减少摩擦力的影响，使重心改变时能够明显的转动，我们采用的是玩具小车车轮的转轴。

2.4 橡皮筋的选用

根据橡皮筋内部材料组成不同，其热缩效果也不同，本实验选用的是自行车气门芯用橡皮筋、女生扎头发用的橡皮筋、医用橡皮筋、长条魔术气球来试验，根据实验结果对比后选用的是女生扎头发用的橡皮筋效果更好。

3 实验过程及注意事项

（1）固定好底座使三个部件连接紧密。

（2）选用粗细、长短大致相同的橡皮筋若干，每两个橡皮筋为一组，对称挂在大轮和小轮之间，挂满后安装轮轴，并且轮轴固定在底座上。

（3）固定好灯源后，调整灯面位置，使灯面与轮轴水平且在橡皮筋前方。打开电源片刻，橡皮筋受热吸收后，重心改变，开始转动。用硬纸板调整遮光比例为30%、40%、50%、60%、70%，观察“阳光转轮”转速变化。

（4）改变每组橡皮筋个数，重复上述操作。

（5）把每组橡皮筋个数设置为3个，重复操作3。对比不同个数的橡皮筋分别在不同遮光比例下的转速的变化。

（6）在实验的过程中，可以在转轮的背面要放一块平面镜，实验效果更好，因为通过平面镜后光线可以反射，可以使能量得到充分利用。

（7）由于亚克力板和橡皮筋都具有“老化”性质，在储存时要储存在阴凉地方，橡皮筋在使用两到三次后要及时更换橡皮筋，使实验现象更明显。

4 结束语

“阳光转轮”演示仪演示了橡胶受热会收缩这一“反常态”现象，在这个过程中，我们发现，不同类型的橡胶对“阳光转轮”的转速影响不大，而每组橡皮筋的个数会影响“阳光转轮”的转速，遮阳比例大于或小于50%都将使转速减小（也可由理论分析得到）。通过这个实验可以形象直观地了解到橡皮筋“反常态”特性，提高动手操作能力，激发学生兴趣。

参考文献：

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[2]孙楚旻.橡皮筋热缩性质的定量表示及应用[J].物理实验，2014（6）：7-11.

[3]周江玥.橡胶带热机原理及制作[D].北京师范大学，2005（1）.

[4]毛俊雯.橡胶“热缩冷胀”的实验研究及其热力学分析[J].湖州师范学院学报，2014（2）：23-26.