基于熱縮冷脹特性的“陽光轉輪”

郭倩倩 任想河 夏清華

摘? 要：介紹了一種物體熱縮冷脹特性演示儀器的設計與制作方法。利用了橡膠在局部受熱收縮的特性，在對稱布滿橡皮筋的轉輪上受熱收縮使重心偏移驅動轉輪轉動。儀器設計巧妙，價格低廉，易于操作，現象明顯的優點，還可以激發學生興趣。

關鍵詞：橡皮筋;熱縮冷脹;反常態

中圖分類號：O414.1? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0003-02

Abstract： The design and manufacture method of a demonstration instrument for thermal contraction and cold expansion of objects are introduced in this paper. Taking advantage of the characteristics of local heating shrinkage of rubber， the center of gravity is shifted to drive the rotation of the runner when the wheel is symmetrically covered with rubber bands. The instrument design is ingenious， the price is low， easy to operate， the phenomenon obvious， but also can stimulate the interest of students.

Keywords： rubber band; thermal contraction and cold expansion; abnormal state

通常物體具有熱脹冷縮性質，但有些物質在特定條件下具有熱縮冷脹這一反常態現象。如：橡膠受熱時均出現該現象。特設計白熾燈光照射橡皮筋使其受熱收縮，打破了原來受力平衡，轉輪會順時針轉動。轉輪開始旋轉后，被加熱的橡皮筋離開燈泡的加熱范圍，重新變冷后舒張，而原來冷卻的橡皮筋被加熱，開始收縮。這是一個循環往復的過程，轉輪就這樣在燈泡熱能的驅動下持續旋轉。如圖1所示。

圖1

1 實驗儀器

如圖2所示，是陽光轉輪演示儀的實物圖正面和側面，使用亞克力板制作而成。主要由底座，中間小轉盤，外面大轉，橡皮筋以及連接小轉盤和底座的軸承組成。大轉盤和小轉盤之間用橡皮筋來連接，橡皮筋拉伸長度在14cm，這樣用燈光照射之后能夠現象明顯。

2 制作設計流程

2.1 大輪與小輪的設計

如圖3所示，為了使轉輪能夠使局部加熱重心偏移而導致旋轉，所以需要設計圓形外形，而且橡皮筋分布需要對稱均勻分布。中間的小輪使用半徑為5.5cm，厚度為5mm的亞克力板，齒形如圖所示，中間留有小孔，用來放置軸承。外面的大輪采用半徑為12.5cm和半徑為17.5cm的同心圓環，齒形如圖所示。內環外環分別有24個小鉤，相鄰角度為15°。

在實驗的過程中，發現一片亞克力板會受到橡皮筋的拉力而扭曲，為了使所有橡皮筋受力在同一平面內，減少偶然誤差，所以在原本支撐橡皮筋的亞克力板前后添加了各一片的亞克力板形成了三明治造型。如圖4所示。

測試時，重心位置不僅與橡皮筋及亞克力板本身受力均勻度的影響，還要注意不同橡皮筋的拉力會有差異，方便調整重心，使重心在軸承位置。在懸掛橡皮筋時先掛對稱位置而且兩對應位置的橡皮筋拉長的長度需要大致相同。

2.2 底座的設計

為了增加儀器的美觀性，底座也采用的是亞克力板材料。考慮到方便攜帶，采用的是組裝式設計，高度為39cm，可以讓轉輪順利的旋轉，如圖5所示。三角形具有穩定性，所以組裝后為三角形穩定結構。軸承的位置要足夠的支撐力，綜合考慮下采用了插銷結合的方式，并且在軸承位置，用增加厚度的亞克力板來增加支撐力。

2.3 軸承的選用

實驗過程中有很多外界條件會影響實驗的完整性和明顯性，在實驗的過程中為了減少摩擦力的影響，使重心改變時能夠明顯的轉動，我們采用的是玩具小車車輪的轉軸。

2.4 橡皮筋的選用

根據橡皮筋內部材料組成不同，其熱縮效果也不同，本實驗選用的是自行車氣門芯用橡皮筋、女生扎頭發用的橡皮筋、醫用橡皮筋、長條魔術氣球來試驗，根據實驗結果對比后選用的是女生扎頭發用的橡皮筋效果更好。

3 實驗過程及注意事項

（1）固定好底座使三個部件連接緊密。

（2）選用粗細、長短大致相同的橡皮筋若干，每兩個橡皮筋為一組，對稱掛在大輪和小輪之間，掛滿后安裝輪軸，并且輪軸固定在底座上。

（3）固定好燈源后，調整燈面位置，使燈面與輪軸水平且在橡皮筋前方。打開電源片刻，橡皮筋受熱吸收后，重心改變，開始轉動。用硬紙板調整遮光比例為30%、40%、50%、60%、70%，觀察“陽光轉輪”轉速變化。

（4）改變每組橡皮筋個數，重復上述操作。

（5）把每組橡皮筋個數設置為3個，重復操作3。對比不同個數的橡皮筋分別在不同遮光比例下的轉速的變化。

（6）在實驗的過程中，可以在轉輪的背面要放一塊平面鏡，實驗效果更好，因為通過平面鏡后光線可以反射，可以使能量得到充分利用。

（7）由于亞克力板和橡皮筋都具有“老化”性質，在儲存時要儲存在陰涼地方，橡皮筋在使用兩到三次后要及時更換橡皮筋，使實驗現象更明顯。

4 結束語

“陽光轉輪”演示儀演示了橡膠受熱會收縮這一“反常態”現象，在這個過程中，我們發現，不同類型的橡膠對“陽光轉輪”的轉速影響不大，而每組橡皮筋的個數會影響“陽光轉輪”的轉速，遮陽比例大于或小于50%都將使轉速減小（也可由理論分析得到）。通過這個實驗可以形象直觀地了解到橡皮筋“反常態”特性，提高動手操作能力，激發學生興趣。

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