自制低成本汽油機工作原理實驗演示儀改進創(chuàng)新及教學(xué)應(yīng)用

謝桂英 彭 妙 余耿華

(1. 廣州市執(zhí)信中學(xué)琶洲實驗學(xué)校,廣東 廣州 510220; 2. 廣州市江南外國語學(xué)校,廣東 廣州 510220； 3. 廣東實驗中學(xué)，廣東 廣州 510220)

1 教材實驗分析

圖1 手搖四沖程汽油機模型

與課本配套的初中物理實驗室常用的手搖四沖程汽油機模型,如圖1所示．各沖程的完成由手動完成,體現(xiàn)不了做功沖程時氣缸內(nèi)燃氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程．

由于該模型在演示過程是完全由教師通過手搖來完成飛輪的轉(zhuǎn)動、連桿曲軸帶動活塞的往復(fù)運動、氣門的開閉情況．火花塞的點火過程也是通過頂端的小燈泡的閃亮來進行模擬的．整個過程較平淡,難以激發(fā)學(xué)生的興趣．缺乏對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)．

該儀器在演示過程中由于結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷容易出現(xiàn)故障,特別是頂桿頂開氣門的連接處極易脫落,教師為了完成實驗往往要經(jīng)過多次調(diào)試才能成功．影響課堂演示效果．

由于該儀器本身體積較小,不利于演示過程的全班學(xué)生進行同時觀察．有時不得已寧愿使用Flash動畫進行演示．然而這樣就會失去物理本身實驗教學(xué)的特點,缺乏實驗教學(xué)的精神．

圖2

筆者基于以上的教學(xué)反思和參考目前許多教師在課堂上演示用酒精在塑料瓶內(nèi)點火將紙團沖出,演示燃料燃燒將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程(如圖2),將兩者結(jié)合將演示實驗改進創(chuàng)新自制作了“內(nèi)燃機做功沖程演示儀”，并將改進創(chuàng)新后教具再次用于課堂教學(xué)，取得良好的教學(xué)效果.[1]

2 內(nèi)燃機做功沖程演示儀的改進與制作

(1) 材料.網(wǎng)購長30 cm、內(nèi)徑30 mm、壁厚10 mm的有機玻璃筒(如圖3)．取一段長6 cm、直徑29 mm的木質(zhì)活塞,并打磨光滑(如圖4)．

圖3

圖4

(2) 制作流程.在長40 cm的鋁條兩端開孔,制作成連桿(如圖5)．制作一塊直徑16cm的木質(zhì)圓板作為飛輪(如圖6)．將飛輪和活塞用連桿連接,并在活動處加潤滑油(如圖7)．在玻璃筒壁上開兩個小孔,并將打火機的點火裝置拆下,將兩條引線伸入筒內(nèi)保持正對,制成“火花塞”(如圖8)．

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

將玻璃筒、活塞、飛輪組裝好后,固定在長木板上,并在玻璃筒頂端開一個小孔(便于注入酒精充當(dāng)燃料)．最后用膠塞塞住玻璃筒底端防止漏氣(如圖9、圖10)．在木板側(cè)面鉆孔,設(shè)計可以方便安裝和卸下的底座(如圖12)．

圖10

圖11

圖12

(3) 內(nèi)燃機做功沖程演示儀的操作流程.

調(diào)節(jié)活塞和飛輪在如圖10所示的位置,避免連桿與活塞的運行方向在同一條直線上,防止點火時連桿發(fā)生彎折而損壞．用細膠管從玻璃筒頂端的小孔中注入打火機中的丁烷氣體(按壓約5s,如圖13)．按壓點火器,可以觀察到筒內(nèi)出現(xiàn)一團紅藍相間的火花、飛輪轉(zhuǎn)動4-6圈(如圖14)．

圖13

圖14

(4) 內(nèi)燃機做功沖程演示儀的優(yōu)點.

燃料的注入只需要按壓打火機的點火按鈕,不用滴入酒精的方式,燃料的攜帶方便,燃料的注入非常簡單方便．透明的玻璃筒,能讓學(xué)生直接觀察到做功沖程時氣缸內(nèi)燃料燃燒時產(chǎn)生的火花(體會內(nèi)能的存在),看到飛輪的轉(zhuǎn)動(感受機械能的產(chǎn)生),從而深刻理解內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程．做功沖程活塞將飛輪推動,飛輪由于慣性又將活塞推回筒內(nèi),可以非常清晰地演示飛輪的慣性完成排氣沖程、吸氣沖程等過程．促進了學(xué)生積極思考和主動學(xué)習(xí),從而順利突破教學(xué)難點．儀器成本低結(jié)構(gòu)簡單而牢固,操作方便,效果震撼,可以多次循環(huán)使用．該教具能夠兼顧全體,每位學(xué)生都能夠全面具體觀察演示過程、利于突破學(xué)習(xí)的難點．特別是做功過程伴隨的聲響效果給學(xué)生留下立體的深刻的印象,對學(xué)生知識的遺忘起到極好的防范作用．演示過程,學(xué)生充滿期待．教師的演示過程與學(xué)生的觀察過程促進了師生情感的交流與科學(xué)精神的培養(yǎng)．同時教師自制教具的態(tài)度也可以感染學(xué)生用于面對困難的精神,有利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成．

3 內(nèi)燃機做功沖程演示儀改進后的教學(xué)應(yīng)用片段

3.1 導(dǎo)入情景

師:內(nèi)燃機就是燃氣在一個封閉空間內(nèi)燃燒,將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置．下面,教師用一個改進版的儀器來演示其工作過程．(教師一邊拿出儀器)

3.2 介紹器材

師:這個透明圓柱玻璃筒演示氣缸,這是木質(zhì)活塞,黑色的是連桿,另一端連著飛輪,飛輪轉(zhuǎn)動表示可以帶動傳動部件使汽車獲得動力．(教師邊講解,邊指示相應(yīng)的部件．最后撥打一下飛輪,讓飛輪帶著活塞往復(fù)運動幾次,如圖15)活塞從氣缸的一端運動到另一端的過程叫一個沖程．

圖15

3.3 師生互動

師:飛輪要動起來,就必須通過燃燒燃料獲得機械能,那么燃料是如何進入氣缸的呢?

生:活塞向右(下)運動,把燃料和空氣的混合氣體吸入氣缸中．

師:對了,我們就把這個過程叫做“吸氣沖程”．

圖16

(教師同時一邊將燃起注入到氣缸中,一邊撥動飛輪,使活塞完成吸氣沖程,如圖16)

師:吸氣沖程,活塞的能量從哪里來的?進氣門、排氣門分別處于什么狀態(tài)?

生:飛輪的機械能．進氣門打開、排氣門關(guān)閉．

師:很好．當(dāng)飛輪運行到底,在飛輪的慣性帶動下往回運動時(教師一邊緩慢撥動飛輪,演示),進氣門、排氣門分別處于什么狀態(tài)?有什么能量的轉(zhuǎn)化過程?

生:進氣門、排氣門都關(guān)閉．飛輪的機械能轉(zhuǎn)化為混合氣的內(nèi)能(優(yōu)秀的學(xué)生可以回答出燃氣的溫度升高)．

師:非常好．進氣門、排氣門都關(guān)閉時筒內(nèi)混合氣處于壓縮狀態(tài),因此我們叫此沖程為什么沖程呢?

生:壓縮沖程．

師:非常好．當(dāng)活塞壓縮到底,此時混合氣體的溫度應(yīng)該最高,此時點火應(yīng)該為最佳時刻．請同學(xué)們注意觀察,千萬不要眨眼!(教師將事先準備好的點火器插入到氣缸內(nèi),并點火如圖17、圖18……)．

圖17

圖18

生:哇……

師:請問我們看到了哪些現(xiàn)象?

生1:汽缸內(nèi)出現(xiàn)一團火光.

生2:活塞被氣體猛烈推動.

生3:飛輪轉(zhuǎn)動了好幾圈

師:大家都觀察的很仔細．那么此時進氣門、排氣門一定處于什么狀態(tài)?我們應(yīng)該叫他什么沖程合適呢?

生:進氣門、排氣門關(guān)閉．做功沖程．

師:為什么呢?

生:燃氣對活塞做功,將它的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為了飛輪的機械能(可以使汽車獲得動力)．

師:大家掌聲鼓勵!燃氣做完功之后就變成廢氣了,廢氣需要排出氣缸外,此時活塞如何運動?我們應(yīng)該稱之為什么沖程?

生:往回運動．排氣沖程．

師:活塞為什么可以往回運動?

生:飛輪的慣性．

師:進氣門、排氣門處于什么狀態(tài)?

生:進氣門關(guān)閉、排氣門打開．

3.4 實驗小結(jié)

師:通過老師剛才的演示,我們就明白了這種內(nèi)燃機要完成一次工作循環(huán),需要幾個沖程呢?做了幾次功?飛輪轉(zhuǎn)了幾個圈呢?

生:這種內(nèi)燃機要完成一次工作循環(huán)需要4個沖程、做了一次功、飛輪轉(zhuǎn)了兩個圈．

師:請同學(xué)們回顧我們剛才演示分析這種內(nèi)燃機分別經(jīng)歷了哪幾個沖程?

生:吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程

師:汽車在何時獲得動力?

生:汽車在做功沖程時獲得動力．

師:想象一下如果汽車只有這一個氣缸,汽車的運動情況將是怎樣的?

生:汽車將猛烈運動一下,然后滑行一段距離．

師:為了使汽車能夠獲得平穩(wěn)持續(xù)的動力,請大家猜想討論設(shè)計師應(yīng)該是如何解決的?

3.5 實驗評價

該實驗器材結(jié)構(gòu)簡單而牢固,制作成本低操作方便,效果震撼,可以多次循環(huán)使用．改進后,燃料的注入只需要按壓打火機的點火按鈕,而不用滴入酒精的方式,燃料的攜帶方便、注入非常簡單方便．透明的玻璃筒,能讓學(xué)生直接觀察到做功沖程時氣缸內(nèi)燃料燃燒時產(chǎn)生的火花(體會內(nèi)能的存在),看到飛輪的轉(zhuǎn)動(感受機械能的產(chǎn)生),從而深刻理解內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程．用該教具在所任教教學(xué)班進行了演示實驗,均能一次成功完成演示．

3.6 教學(xué)反思

該儀器的使用汽,在做功沖程活塞直線運動轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動動,飛輪由于慣性又將活塞推回筒內(nèi),可以非常清晰地演示飛輪的慣性完成排氣沖程、吸氣沖程等過程．促進了學(xué)生積極思考和主動學(xué)習(xí),從而順利突破教學(xué)難點．該教具能夠兼顧全體,每位學(xué)生都能夠全面具體觀察演示過程、利于突破學(xué)習(xí)的難點．特別是做功過程伴隨的聲響效果給學(xué)生留下立體的深刻的印象,對學(xué)生知識的遺忘起到極好的防范作用．演示過程,學(xué)生充滿期待．教師的演示過程與學(xué)生的觀察過程促進了師生情感的交流與科學(xué)精神的培養(yǎng)．同時教師自制教具的態(tài)度也可以感染學(xué)生用于面對困難的精神,有利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成．