廣東省東莞市橋頭中學(xué)(523520) 侯兆軍

隨著物理教學(xué)的不斷發(fā)展,實(shí)驗(yàn)教具也在不斷地發(fā)展。在原有實(shí)驗(yàn)資源不能滿足教學(xué)需求時(shí),教師應(yīng)該設(shè)計(jì)新穎科學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具,優(yōu)化教學(xué)手段和過(guò)程,更加有效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。筆者針對(duì)初中物理 “汽油機(jī)”傳統(tǒng)教學(xué)的不足和局限性,制作出了一種 “簡(jiǎn)易的汽油機(jī)”用于物理教學(xué),優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程,提高了教學(xué)效果。

1 汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)教具制作的必要性

熱機(jī)的發(fā)明使人類進(jìn)入了“蒸汽時(shí)代”和工業(yè)社會(huì),對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展起到了重要作用。在初中新課程標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)該教學(xué)內(nèi)容的要求是認(rèn)識(shí)熱機(jī)的工作原理及熱機(jī)使用對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用,對(duì)初中學(xué)生來(lái)說(shuō)具有一定的難度。

目前“汽油機(jī)工作過(guò)程”的教學(xué)現(xiàn)狀主要有:①使用“四沖程汽油機(jī)教學(xué)掛圖”來(lái)教學(xué);②使用實(shí)驗(yàn)室的“汽油機(jī)模型”來(lái)教學(xué);③播放電腦動(dòng)畫教學(xué)。這些教學(xué)方式雖然對(duì)汽油機(jī)的教學(xué)起了一定的輔助作用,但都有一個(gè)致命缺點(diǎn),就是不真實(shí),屬于紙上談兵,學(xué)生通過(guò)想象和推理來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí),并沒(méi)有獲得對(duì)汽油機(jī)工作的真實(shí)感受和體驗(yàn),認(rèn)識(shí)不深刻,不能從根本上解決教學(xué)中內(nèi)容抽象、教學(xué)難度大的問(wèn)題。

如果在教學(xué)中使用真正的汽油機(jī)進(jìn)行演示呢?當(dāng)然不可行,因?yàn)樯钪械钠蜋C(jī)氣缸不透明、轉(zhuǎn)速快,很難清楚的觀察到其工作過(guò)程。鑒于初中物理中同樣重要的其他教學(xué)內(nèi)容,如電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電磁鐵等都有實(shí)物裝置在教學(xué)演示中使用,為了填補(bǔ)汽油機(jī)實(shí)物教具這一空白,筆者制作了一種真實(shí)、可分解、外觀透明、易觀察的簡(jiǎn)易汽油機(jī),實(shí)際演示汽油機(jī)的吸氣、壓縮、點(diǎn)火做功、排氣沖程,使學(xué)生真實(shí)感受到汽油機(jī)的工作過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)原理和制作改進(jìn)

經(jīng)過(guò)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn),筆者根據(jù) “用電子打火機(jī)在塑料注射器內(nèi)點(diǎn)燃酒精,燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功”的實(shí)驗(yàn)原理,制作了簡(jiǎn)易汽油機(jī),汽油機(jī)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)易汽油機(jī)實(shí)物圖

筆者選擇60 m L的一次性塑料注射器做 “氣缸和活塞”,因?yàn)樗芊庑?、靈活性、安全性都很好,且取材便宜又便于加工。選擇電子打火機(jī)的火花頭做 “火花塞”,把火花頭延長(zhǎng)通過(guò)注射孔封入注射筒底。選擇市場(chǎng)供水管配套1/4銅閥門,作為 “進(jìn)氣門”和 “排氣門”,在注射器底部鉆2個(gè)孔,嵌入銅閥門,與火花頭距離約3 mm。把注射器筒口朝下,用不銹鋼鎖扣和螺釘固定在不銹鋼臺(tái)架上。

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果,筆者又做了以下改進(jìn)。

(1)用酒精代替汽油做實(shí)驗(yàn)清潔環(huán)保不產(chǎn)生黑煙,又保證了注射器的透明度,便于觀察。

(2)在進(jìn)氣門上方接上有棉墊的塑料過(guò)濾器,使酒精緩慢進(jìn)入氣門,與空氣混合均勻;在注射筒后方設(shè)深藍(lán)背景屏,襯托火花和燃燒火焰。

(3)由于活塞沖擊力很大,需要在其沖出前將其擋住,故設(shè)置下止橫梁以確保安全。

(4)用不銹鋼杠桿做“曲軸”,將活塞的沖擊能量傳遞到自行車輪做的“飛輪”上,顯示酒精燃燒后內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的原理。

3 實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)和體驗(yàn)教學(xué)

在“汽油機(jī)”教學(xué)中,筆者用自制的簡(jiǎn)易汽油機(jī)(如圖2所示)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示收到了非常好的教學(xué)效果。當(dāng)實(shí)驗(yàn)器材擺上講臺(tái)時(shí),學(xué)生的注意力和好奇心立即被吸引過(guò)來(lái),他們饒有興致地了解它的結(jié)構(gòu)后,就催促教師進(jìn)行演示和說(shuō)明。

圖2 改進(jìn)后的簡(jiǎn)易汽油機(jī)實(shí)物圖

3.1 吸氣沖程

將活塞推至筒底,關(guān)閉2個(gè)閥門,在進(jìn)氣門上方過(guò)濾器內(nèi)滴入3滴酒精,然后打開進(jìn)氣門,緩慢向下拉動(dòng)活塞,吸入酒精和空氣混合物,體積約為注射筒體積的4/5。

3.2 壓縮沖程

關(guān)閉進(jìn)氣門,緩慢推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),約至2/3注射筒處,實(shí)驗(yàn)者會(huì)感到壓強(qiáng)增大,用手摸筒壁,可感到溫度升高,說(shuō)明機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;同時(shí),復(fù)位彈簧將杠桿升到活塞手柄下方,轉(zhuǎn)輪鐵片聯(lián)動(dòng)到杠桿自由端下方。

3.3 做功沖程

扳動(dòng)打火機(jī)開關(guān),火花頭產(chǎn)生電火花,酒精氣體劇烈燃燒,產(chǎn)生火紅光芒,同時(shí)“嘭”的一聲,燃?xì)馀蛎涀龉?推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng),通過(guò)杠桿推動(dòng)車輪快速轉(zhuǎn)動(dòng),活塞移至下止點(diǎn)被阻止。這一過(guò)程說(shuō)明:化學(xué)能通過(guò)燃燒可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能又通過(guò)做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

3.4 排氣沖程

打開排氣門,推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng),將廢氣排出。

3.5 演示能量究竟有多大

鑒于將注射器取下,拿到室外,筒口豎直向上旋轉(zhuǎn),滴入適量酒精后點(diǎn)火,活塞被“發(fā)射”至約8 m高處。

4 教學(xué)效果和教具價(jià)值

采用本實(shí)驗(yàn)教具實(shí)施教學(xué)后,教學(xué)效果有了明顯的提升。

4.1 創(chuàng)設(shè)了真實(shí)的物理過(guò)程,化抽象為具體

通過(guò)使用簡(jiǎn)易汽油機(jī)演示實(shí)際燃燒燃料,推動(dòng)轉(zhuǎn)盤快速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程,直觀真實(shí)地顯示了汽油機(jī)的4個(gè)沖程,由于4個(gè)沖程可分解演示,實(shí)驗(yàn)時(shí)可自由分配時(shí)間,從而便于學(xué)生感受和品味實(shí)際的物理過(guò)程,便于理解教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)課堂檢測(cè),學(xué)生對(duì)汽油機(jī)4個(gè)沖程的分辨和描述很清楚,對(duì)做功、壓縮2個(gè)沖程中能量轉(zhuǎn)化的理解也很深刻,教學(xué)效果十分明顯。

4.2 取得了震撼視聽(tīng)的實(shí)驗(yàn)效果,強(qiáng)化了對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解

視覺(jué)上,可以清楚觀察透明注射筒內(nèi)的火花頭、氣門等部件,特別是演示 “做功沖程”時(shí),藍(lán)色背景襯托出筒內(nèi)明亮耀眼的火焰,隨后轉(zhuǎn)輪被沖擊快速轉(zhuǎn)動(dòng);在演示能量有多大時(shí),注射器活塞被 “發(fā)射”到約8 m高并伴隨著火光,使一些學(xué)生情不自禁地驚叫起來(lái);聽(tīng)覺(jué)上,氣體膨脹、活塞撞擊的 “嘭、啪”聲,刺激而震撼,使他們久久不能忘懷,體驗(yàn)深刻持久。

4.3 培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)是真實(shí)的燃料燃燒,激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心,使他們的注意力非常集中;用熟悉而平常的日常用品制作教具,破除了神秘感,讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲;待謎底揭開,對(duì)汽油機(jī)等熱機(jī)工作原理心領(lǐng)神會(huì)后,學(xué)生感到興奮滿足。

4.4 拓展了學(xué)習(xí)領(lǐng)域,提高了創(chuàng)新實(shí)踐能力

實(shí)驗(yàn)課后,一些學(xué)生主動(dòng)找到筆者,討論簡(jiǎn)易汽油機(jī)的制作方法,并在課余時(shí)間進(jìn)行模仿制作和優(yōu)化改進(jìn)。學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手動(dòng)腦、交流合作、創(chuàng)新制作等活動(dòng),培養(yǎng)了敢于質(zhì)疑、獨(dú)立思考、勇于探索的科學(xué)探究精神,有效地提高了他們的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

5 教具的不足和前景展望

該教具體積較大、結(jié)構(gòu)不夠緊湊、外觀比較粗糙不美觀,不能調(diào)為連續(xù)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),希望專家和同行對(duì)此教具的改進(jìn)提出寶貴意見(jiàn),以期不斷完善;更希望有教學(xué)儀器廠家在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)教具,批量生產(chǎn),使 “汽油機(jī)”這個(gè)難點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容早日實(shí)現(xiàn)實(shí)物體驗(yàn)化教學(xué),讓學(xué)生易學(xué)易懂。