黃德興

摘 要：“飲水鳥(niǎo)”為中國(guó)古代的一種益智玩具，其巧妙的設(shè)計(jì)令人稱奇。它的制作與工作原理涉及氣體壓強(qiáng)、能量守恒定律、物態(tài)變化、毛細(xì)現(xiàn)象、重心與力矩等諸多物理學(xué)知識(shí)，將其應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，不僅增加了教學(xué)的趣味性，也豐富了知識(shí)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：飲水鳥(niǎo)；物理教學(xué)；科技制作

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）8-0034-2

1 飲水鳥(niǎo)的工作原理

飲水鳥(niǎo)為中國(guó)古代出現(xiàn)的一種益智玩具，它由一根玻璃管連通上下兩個(gè)薄壁玻璃球（以下簡(jiǎn)稱上球與下球）組成，內(nèi)裝有乙醚類易揮發(fā)液體。由于乙醚易揮發(fā)，當(dāng)頭部浸水，蒸發(fā)吸熱，上下球的溫差產(chǎn)生內(nèi)部的氣壓差，從而使下球內(nèi)部的液體在氣體壓強(qiáng)的作用下上升，重心上移，打破平衡，從而使飲水鳥(niǎo)飲水。當(dāng)身體前傾到一定角度，玻璃管中的液體由于自身重力作用回流到下球，重心下移，回到初始位置，如此循環(huán)，原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

據(jù)說(shuō)愛(ài)因斯坦也對(duì)這個(gè)類似永動(dòng)機(jī)的飲水鳥(niǎo)的巧妙設(shè)計(jì)感到驚嘆，但這個(gè)奇物的“出生”卻沒(méi)有多少文字記載，只是在國(guó)外的一本科普讀物上出現(xiàn)過(guò)。當(dāng)然，此文不去對(duì)飲水鳥(niǎo)的由來(lái)進(jìn)行考證，主要目的在于將其作為一種教學(xué)資源進(jìn)行討論。

2 飲水鳥(niǎo)涉及的物理學(xué)知識(shí)及在教學(xué)中的應(yīng)用

飲水鳥(niǎo)不是永動(dòng)機(jī)，但要清楚解釋其工作原理，要涉及到能量守恒定律、重心與平衡、蒸發(fā)、氣體壓強(qiáng)、毛細(xì)現(xiàn)象等多方面的知識(shí)。下面進(jìn)行具體分析。

2.1 熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律

看到飲水鳥(niǎo)，首先聯(lián)想到的便是永動(dòng)機(jī)，但它并不違背熱力學(xué)第一定律，仍然遵守能量守恒。它的機(jī)械能來(lái)源于頭部的水蒸發(fā)帶走熱量，從而導(dǎo)致內(nèi)部氣壓的變化，產(chǎn)生重力勢(shì)能。因此，它與空氣進(jìn)行著能量交換，可將它看成一個(gè)熱機(jī)。在講解能量守恒定律時(shí)，引入“飲水鳥(niǎo)”來(lái)討論永動(dòng)機(jī)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能為學(xué)生分析提供直觀參考。而且還可以在“能量的不同形式”“能量的轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移”“熱機(jī)工作原理”等方面作為一個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析。

2.2 氣體壓強(qiáng)與分子擴(kuò)散現(xiàn)象

其次，產(chǎn)生的疑問(wèn)便是：“下球的液體為何會(huì)上升？”當(dāng)浸有水的上球在水分蒸發(fā)帶走熱量后，上球內(nèi)部氣體分子冷凝，分子數(shù)量減少，壓強(qiáng)相對(duì)于下球要小，導(dǎo)致下球中液體沿玻璃管上升，致使重心變化。在此基礎(chǔ)之上，還可拓展出“除乙醚外，還可使用哪些液體”“還有什么辦法使其中液體上升”“增加壓強(qiáng)與減小壓強(qiáng)的方法有哪些”等，一個(gè)飲水鳥(niǎo)啟發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合利用，何樂(lè)而不為。

2.3 物態(tài)變化伴隨的吸熱、放熱與蒸發(fā)

既然飲水鳥(niǎo)的動(dòng)力源是上球的水分蒸發(fā)，可采取什么措施，使蒸發(fā)速度加快，從而使飲水鳥(niǎo)能頻繁的“飲水”呢？在冬天與夏天一樣嗎？在教室里與太陽(yáng)下一樣嗎？在通風(fēng)處與背風(fēng)處一樣嗎？將水替換為酒精等易揮發(fā)液體，變?yōu)椤帮嬀气B(niǎo)”又有什么變化呢？等等關(guān)于蒸發(fā)快慢的條件，可通過(guò)此鳥(niǎo)得到驗(yàn)證。又有什么樣的措施使“飲水”的頻率降低呢？放在冰箱里還能動(dòng)嗎？要“飲水”需要與外界環(huán)境達(dá)到什么條件？等等一系列的問(wèn)題，都可以從它而來(lái)，讓學(xué)生體驗(yàn)探究的樂(lè)趣。

2.4 重心、重力和力矩

當(dāng)飲水鳥(niǎo)內(nèi)部的液體上升，重心的位置上移，打破平衡；當(dāng)液體回流，重心下移。從而直觀展示出重心與物質(zhì)的質(zhì)量分布的關(guān)系。假如將鳥(niǎo)身上的固定點(diǎn)位置改變會(huì)怎樣？是否會(huì)出現(xiàn)俯身“飲水”后就不再抬頭？要制作這樣的一只飲水鳥(niǎo)，還要考慮些什么？甚至還可將“重心的確定”“重力的大小與方向”“杠桿”“力矩”“力的圖示”“二力平衡的條件”等一系列物理知識(shí)穿插其中，作為章節(jié)知識(shí)復(fù)習(xí)的“引線”，讓復(fù)習(xí)課不再枯燥。

2.5 毛細(xì)現(xiàn)象

觀看飲水鳥(niǎo)時(shí)，是否會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)：飲水鳥(niǎo)的頭部為何用棉布代替羽毛呢？為何嘴殼飲水，卻是“滿頭淋漓”，這便涉及到毛細(xì)現(xiàn)象。當(dāng)嘴殼飲水，水便沿棉線浸入頭部棉布，一方面增大了蒸發(fā)的面積，提供了充足動(dòng)力，另一方面源源不斷的水分供應(yīng)，保持了飲水鳥(niǎo)的“永動(dòng)”。這是毛細(xì)作用在生活中應(yīng)用的典型事例。

3 由“飲水鳥(niǎo)”而來(lái)的思考

3.1 發(fā)揮玩具的教育功能，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式

科學(xué)玩具成千上萬(wàn)，涉及各個(gè)方面的科學(xué)知識(shí)，作為自然學(xué)科的教師，有意識(shí)地將科學(xué)玩具、游戲融入到自然學(xué)科教學(xué)當(dāng)中，不僅可以增加教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還可以啟發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

新課程提倡探究式教學(xué)，發(fā)現(xiàn)身邊的課程資源，開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)，使生活融入自然科學(xué)教學(xué)，使自然科學(xué)走進(jìn)生活，能更好地促進(jìn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

3.2 利用已有資源，開(kāi)展科技制作

開(kāi)展科技制作，可從模仿、改進(jìn)開(kāi)始。中小學(xué)科學(xué)、物理課倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、創(chuàng)新能力，科技制作是應(yīng)大力提倡的方式之一。進(jìn)行科技小制作、小發(fā)明的方法有：仿制已有物品，如制作簡(jiǎn)易望遠(yuǎn)鏡；改進(jìn)已有物品，如改進(jìn)某個(gè)制作工藝，提高效率；已有物品的“另類”應(yīng)用，如利用高腳杯制作樂(lè)器；創(chuàng)造新物品等。利用身邊已有資源，開(kāi)展科技制作課，是最便利的教學(xué)策略之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]王勁存.趣味玩具在物理課堂教學(xué)中的運(yùn)用——以“飲水鳥(niǎo)”為例[J].物理教師，2011，32（3）：35.

[2]季倬.對(duì)“氣壓類科學(xué)玩具”課程化的研究——科學(xué)玩具物理教育功能開(kāi)發(fā)與研究系列之四[J].物理通報(bào)，2009（10）：5—8.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

（欄目編輯 李富強(qiáng)）