金属条热胀冷缩演示仪

广东省佛山市南海区德胜学校 皇甫宣政

一、研究背景

一般情况下，铝、铜、铁受热后体积会变大，遇冷后体积会缩小，这种现象被称为金属的热胀冷缩，教科版小学科学五年级下册第二单元设计了相关的实验——“观察铜球的热胀冷缩”，如图1 所示。这个实验有以下缺点：无法观察铜球膨胀的过程，实验时间长，操作危险，不能更换材料。经过反复琢磨，我研制了性能稳定的金属条热胀冷缩演示仪。

图1 教材中的“观察铜球的热胀冷缩”实验

二、教具实物图

图2 金属条热胀冷缩演示仪

三、制作材料

木板（厚度5 mm）、木块、磁铁、铜棒（长20 cm，直径6 mm）、铝棒（长20 cm，直径6 mm）、油漆、白乳胶、30 mL 玻璃注射器、10 mL 塑料注射器、亚克力管（内径1 mm，壁厚1 mm）、热熔胶、打火枪、热缩管、法兰盘、棉棒等。

四、制作过程

（一）制作装置框架的散件，然后用白乳胶将其黏合并刷上油漆，如图3 所示。制作装置框架的要点如下：

图3 装置框架

1.装置的木制框架尺寸为：50 cm×10 cm×15 cm。

2.木块上的小孔直径为26.5 mm，与玻璃注射器的外径一样大，并且要使小孔圆心离地的距离与螺杆离地的距离一致。

3.转动手柄可以带动螺杆转动，从而控制内嵌磁铁的木块向左或向右。

4.木块内磁铁的“N 极”向右。

（二）制作装置衔接部分的散件，用白乳胶将其黏合并刷上油漆,如图4 所示。制作装置衔接部分的要点如下：

图4 装置衔接部分

1.装置衔接部分的尺寸为：10 cm×10 cm×25 cm。

2.小孔1 的圆心大小、离地距离与底座上的小孔圆心大小、离地距离一致。

3.长方形孔1 与长方形孔2 大小相等，均为3 cm×2 cm，这两个孔的功能为固定刻度牌。

4.小孔2、小孔3、小孔4 大小相等，直径均为8 mm，且圆心在同一直线上。这三个小孔的功能为连接与固定亚克力管。

（三）制作刻度牌，并用白乳胶将一根木条固定在刻度牌背面，再喷上清漆，如图5 所示。制作刻度牌的要点如下：

图5 刻度牌

1.制作的刻度牌的尺寸应为：10 cm×2.5 cm×35 cm。

2.刻度牌背面的木条正好可以插入图4 中的长方形孔1 与长方形孔2，起固定作用。

（四）将注射器固定在底座上的小孔内，再用热熔胶将圆形木块固定在注射器手柄上，木块内嵌磁铁，磁铁的“N 极”向左，如图6 所示。

图6 注射器

（五）取20 cm 铝棒和20 cm 铜棒各一根，在铝棒、铜棒的两端各插入一块圆形木块，在木块内嵌入磁铁，磁铁“S 极”均朝外，如图7 所示。

图7 铝棒和铜棒

（六）将装置各部件拼接在一起，亚克力管两端通过热缩管与注射器连接，如图8 所示。

图8 金属条热胀冷缩演示仪

五、使用说明

（一）将装置放置在水平桌面上，转动手柄调节注射器活塞，使红墨水液面停留在亚克力管的“0”刻度线上，如图9 所示。

图9 红墨水液面停留在“0”刻度线上

（二）用打火枪加热铝棒，铝棒受热变长，推动注射器活塞向前移动，从而使亚克力管中的红墨水液面上升，如图10 所示。

图10 红墨水液面上升

（三）将棉签吸水后轻轻摩擦铝棒。铝棒的温度降低，长度缩短，推动注射器活塞向后移，使亚克力管中的红墨水液面下降，如图11所示。

图11 红墨水液面下降

（四）将铝棒换成铜棒，重复上述步骤，也可以得出相同的结论。

六、实验原理

金属棒受热膨胀后推动注射器活塞移动，使注射器内的红墨水流入亚克力管中，亚克力管内的红墨水液面上升，这说明金属棒受热后会变长。亚克力管中红墨水液面不再上升后，通过读取刻度牌上红墨水液面高度差，计算出金属棒变化的长度。

将棉签吸水后，在受热的金属棒上摩擦，金属棒遇冷使注射器活塞后移，亚克力管内的红墨水液面便下降，这说明金属棒遇冷后变短。通过读取红墨水液面的高度差，我们可以计算出金属棒变化的长度。

大家可以扫一扫图12 的二维码，观看金属条热胀冷缩演示仪的演示过程。

图12 作品演示二维码

七、创新点

演示过程直观。可直接通过红墨水液面变化观察金属棒加热变长、遇冷变短的过程。

高效便捷。装置在5 秒内就可呈现实验现象，而铜球热胀冷缩实验需要等待60 秒左右。

精准无误。我们可通过读取红墨水液面的高度差计算出金属棒长度变化的具体数值。

安全可靠。教材实验中的手柄与铜球通过铁链连接，铜球加热后容易左右摇摆，可能烫伤操作者，而金属条热胀冷缩演示仪各部件都是固定的，操作更安全。

八、特别提示

使用打火枪时要注意安全，学生需在老师或家长的陪同下进行。

注意不能用手直接触碰加热后的金属棒，避免烫伤。

如果注射器与活塞密封不好，可将凡士林涂在活塞上。