创新型水钟的制作及其工作原理——以“我们的水钟”一课为例

武汉城市职业学院初等教育学院(430064) 余显志 徐 明 王 荣

1 分析教材中水钟模型存在的问题

1.1 教材中水钟装置的介绍

在教科版小学科学教材5年级上册第3单元第2课“用水流计时间”中，滴漏实验装置采用的是饮料瓶去掉底部，在瓶盖中心打1个大小合适的滴水孔，将瓶子装满水倒扣在铁架台上，滴水的正下方放1个量筒来接水滴。第3课“我们的水钟”中，水钟装置也是采取类似的装置来设计制作，即将1个上下粗细一致的饮料瓶沿中间位置剪开，将上端瓶盖中间位置打1个大小合适的滴水孔作为“滴漏结构”；将另一半沿底部均匀标注计时刻度，作为“接水计时杯”；再将“滴漏结构”倒扣在“接水计时杯”的上方。这就是教材中两节课介绍的水钟装置。

1.2 教材中水钟装置存在的问题及原因分析

对于“如何保持水钟里的水以固定的速度往下流？如何在‘接水计时杯’上均匀标注计时刻度？”这两个问题是教材中的水钟装置无法解决的。原因在于教材中的水钟装置中，“滴漏结构”上端是开口的，滴漏上方的水在往下滴的过程中，水的滴速会受到水压的影响，即水位越高，水滴滴速越快，水位越低，水滴滴速越慢。这样会导致“接水计时杯”的水位上升的速度会越来越慢，从而导致计时刻度不是均匀的。同时，也对学生标记计时刻度带来麻烦，需要学生按照单位时间来一格一格地标注计时刻度。这样导致在规定的课时内，学生无法完成水钟装置的制作和计时等任务。

2 前人研究情况

通过中国知网检索关键词“水钟的制作”，有6篇相关研究论文，其中5篇是关于“用水流计时间”和“我们的水钟”两课内容教学方式方法改进的研究，1篇丁毅老师的《受水型水钟的制作过程及工作原理》一文，对“用水流计时间”这一课中的“受水型”水钟的滴漏结构，改成采用二级“输液管”串联的结构，可实现水滴匀速下滴的目的，同时通过输液管的输液阀来调节水滴的滴速，从而控制水钟计时的快慢。但是关于滴漏的结构相对复杂，给学生理解装置原理和制作水钟带来了一定的困难。基于对这两课教学内容的全面思考，结合学生的基本认知基础，从教具的简单化、可推广和实用性等方面考虑，笔者设计了2种选材容易、结构简化、方便一线教师直接用于教学的水钟模型，解决课本中存在的教学难题。

3 水钟的制作及工作原理

3.1 “受水型”水钟的制作

3.1.1 工作原理

图1为“受水型”水钟示意图，图中h1表示饮料瓶内水面到进气管下端管口之间的水位距离，h2表示进气管下端管口到出水管下端管口之间的水位距离，H表示饮料瓶水面到出水管下端管口之间的水位距离。由于进气管与外界空气相通，进气管下端管口处受到向下的大气压强为P空，设瓶内空气压强为P1，设瓶内水的密度为ρ，可以得出P空=P1+ρgh1。设出水管下端管口处受到压强为P2，由于出水管下端管口处受到向上的大气压强为P空，向下的压强为P1+ρgH，可以得出P2=P1+ρgH-P空。将两式代入可知P2=ρgH-ρgh1，即P2=ρgh2=ρgH-ρgh1。将整个系统当作一个整体来分析，不难看出出水管下端管口处受到压强P2=ρgH-ρgh1=ρgh2。若出水管与进气管的截面积相等，则出水管处受到的压力为h2这段水柱产生的压力，跟H这段水位的高低无关；在饮料瓶内水位下降至进气管下端管口之前，h1的水柱高度不会发生变化，此时水滴速度是均匀的；当水位下降至进气管下端管口以下，水滴速度不再均匀，会越滴越慢。因此，选取此“滴漏结构”时，采用h1在这段水柱的变化来计时。基于以上分析，在此“滴漏结构”下端加1个标有计时刻度均匀、上下粗细一致的接水装置来计时，可以设计为“受水型”水钟；直接在h1这段水柱之间标注均匀的计时刻度，并在其正下端放1个接水容器，可以设计成“水型”水钟。

3.1.2 制作材料

热熔胶枪、胶棒、细圆珠笔芯2根、饮料瓶2个、刻度尺、剪刀、手电钻(或钻孔的锥子)、输液管限流器、细软管、铁架台(配套夹持零件)、纸条、笔、双面胶、秒表等。

3.1.3 制作过程

(1)制作“滴漏结构”

准备2根圆珠笔芯，去掉笔尖的金属头，将笔芯管内的笔墨去掉；再取1个直筒型且瓶壁没有凹槽的饮料瓶，在瓶子的底部用手电钻或钻孔的锥子打1个大小比笔芯外径略大的圆孔，将笔芯从瓶底插进去，留出一小节在瓶外，并用热熔胶枪将笔芯与瓶底密封、固定，并保证笔芯沿瓶壁方向平行；然后，在瓶盖中心位置打1个与瓶底同样大小的圆孔，截取适宜长度的笔芯插入瓶盖小孔内，用热熔胶枪打胶密封、固定笔芯与瓶盖，并保持笔芯与瓶盖面尽量垂直；最后，在瓶盖处的笔芯上套一段大约与输液管限流器长度略长的细软管，再将输液管限流器穿到这段细软管上，往瓶内倒入适量的水，盖上瓶盖，并将其固定在铁架台的铁圈上。这样，“滴漏结构”就做好了，如图2中固定在铁架台上的“滴漏结构”。

图2 “滴漏结构”

(2)制作受水杯与标注计时刻度

取1个直筒型且瓶壁没有凹槽的饮料瓶，用剪刀剪掉瓶口上端的锥形部分，留下饮料瓶下端的直筒部分作为受水杯；然后，用双面胶将纸条沿受水杯外壁竖直方向贴上去；接着，在瓶底下端的纸条上合适的位置标上计时的零刻度；其次，将水倒入受水杯，直至零刻度线位置，再将受水杯放在“滴漏结构”下端，打开输液管限流器，调节水滴至合适滴速，并用秒表开始计时，记录水滴滴到1 min时受水杯中水位上升的位置，用笔标记此时的水位为1 min的刻度；最后，根据1 min的水位标记的刻度，用刻度尺依次向上均匀标记2～10 min之间的计时刻度。这样，“受水型”水钟的受水杯就做好了，如图2中“滴漏结构”下端的受水杯。

(3)检测水钟的计时效果与误差分析

本次检测“受水型”水钟装置计时效果时，采用的饮料瓶有效直径为5 cm，将“受水型”水钟按照标记计时时长的刻度(1 min的计时水柱上升刻度长为8 mm)与水滴速度，用秒表每隔1 min记录一次水滴的滴数，连续记录10 min内的水滴情况，记录数据见表1。从表1中数据可以看出，每分钟的水滴滴数都在145左右，水滴最大差值为2滴，考虑到受水杯直径为5 cm且装置的最大下降水位差为8 cm，2滴的误差对“受水型”水钟的计时准确性的影响可以忽略不计，可认为“受水型”水钟的水滴滴速是匀速的，从而达到了课本中提出滴速匀速的要求，能够起到准确计时的效果。由于本次水钟计时实验效果测试，是由2人同时操作，1人计时，另1人数水滴的滴数，难免在计数的过程中存在计时提前或延缓、数水滴滴数漏数或多数的情况，从而导致了本次测试实验所产生的误差。

表1 每分钟水滴的滴数记录表

3.2 “泄水型”水钟的制作

3.2.1 工作原理

“泄水型”水钟的结构示意图(见图3)，图中h3表示饮料瓶内水面到进气管上端管口之间的水位高度，h4表示进气管上端管口到出水管下端管口之间的水位高度，H0表示饮料瓶内水面到出水管下端管口之间的水位高度。由于进气管与下端瓶内空气相通，进气管上端管口处受到向上的大气压强为P下，设上端瓶内空气压强为P上，设瓶内水的密度为ρ，可以得出P下=P上+ρgh3。设出水管下端管口处受到压强为P，由于出水管下端管口处受到向上的大气压强为P下，向下的压强为P上+ρgH0，可以得出P=P上+ρgH0-P下。将两式代入可知P=ρgH0-ρgh3。将整个系统当作一个整体来分析，不难看出出水管下端管口处受到压强P=ρgH0-ρgh3=ρgh4。若出水管与进气管的截面积相等，则出水口处受到的压力为h4这段水柱产生的压力，跟H0这段水位的高低无关；在饮料瓶内水位下降至进气管下端管口之前，h4的水柱高度不会发生变化，h4这段水柱产生的压力也不会变化，在此过程中水滴速度是均匀的；当水位下降至进气管上端管口以下，水滴速度不再均匀，会越滴越慢。因此，选取此“泄水型”水钟结构时，采用h3在这段水柱的变化来计时。

图3 “泄水型”水钟结构示意图

3.2.2 制作材料

热熔胶枪、胶棒、圆珠笔芯2根、饮料瓶2个、刻度尺、剪刀、手电钻(或钻孔的锥子)、输液管限流器、细软管、纸条、笔、双面胶、秒表等。

3.2.3 制作过程

(1)制作“滴漏结构”

准备2根圆珠笔芯，去掉笔尖的金属头，将笔芯管内的笔墨去掉；再取2个直筒型且瓶壁没有凹槽的饮料瓶，取下2个瓶盖，用热熔胶枪打胶将2个瓶盖顶对顶粘起来，再用手电钻或钻孔的锥子在瓶盖内居中位置打2个大小比笔芯外径略大的圆孔，取2根长约5 cm的笔芯插进瓶盖的孔内，用热熔胶枪打胶将2根笔芯与瓶盖密封、固定起来(见图4)，注意笔芯内孔不要被胶密封住；然后，在瓶盖一端的笔芯上套一段大约比输液管限流器长度略长的细软管，再将输液管限流器穿到这段细软管上，往其中1个瓶内倒入适量的水，保证瓶盖有输液管限流器的一端连接空瓶子，另一端连接有水的瓶子，并将瓶盖分别与2个瓶子拧紧。这样，泄水型水钟“滴漏结构”(见图4)就做好了。

图4 “滴漏结构”制作

(2)制作受水杯与标注计时刻度

首先，将没有装水的一端饮料瓶作为受水杯，选取装有水的饮料瓶的直筒一段用作“泄水型”水钟标记计时刻度的部分；其次，用双面胶将纸条沿受水杯外壁竖直方向贴上去；接着，在饮料瓶上端水面位置的纸条上标记计时的零刻度；再次，打开输液管限流器，调节水滴至合适滴速，同时用秒表开始计时，记录下水滴滴到1 min时，“泄水型”水钟的瓶中水位下降的位置，并用笔标记此时刻度为1 min位置；最后，根据1 min的下降水位高度，用刻度尺依次向下均匀标记2～10 min之间的计时刻度。这样，“泄水型”水钟的受水杯(见图5)就做好了。

图5 “泄水型”水钟受水杯

(3)检测水钟的计时效果与误差分析

本次检测“受水型”水钟装置计时效果时，采用的饮料瓶有效直径为5 cm，将“受水型”水钟，按照标记计时时长的刻度(1 min的计时水柱上升刻度长为9 mm)与水滴速度，用秒表每隔1 min记录一次水滴的滴数，连续记录10 min内的水滴情况，记录数据见表2。从表2中数据可以看出，每分钟的水滴滴数都在168滴左右，水滴最大差值为3滴，考虑到受水杯直径5 cm且装置的最大下降水位差为9 cm，3滴的误差对“泄水型”水钟的计时准确性的影响可以忽略不计，可认为“泄水型”水钟的水滴滴速是匀速的，从而达到了课本中提出滴速匀速的要求，能够起到准确计时的效果。由于本次水钟计时实验效果测试，是由2人同时操作，1人计时，另1人数水滴的滴数，难免在计数的过程中存在计时提前或延缓、数水滴滴数漏数或多数的情况，从而导致了本次测试实验所产生的误差。

表2 每分钟水滴的滴数记录表

4 改进后的优点

改进后的水钟有以下几方面优点:①利用输液管上的速度调节器，可以很好地解决水钟滴水速度，控制计时长短的问题；②基于这类水钟的原理分析、效果检验与调试，能够实现水滴滴速均匀，使水钟的计时更准确；③这两类水钟装置，可以进一步做教学的优化处理，只需要改变标记计时的刻度位置即可达到目的；④这两类水钟装置选材容易、结构简单，使实验的操作得到了简化，便于教学与推广。