数显式新型水轮实验仪器

纪艺璟

◎开发背景

苏教版小学《科学》1年级下册第2单元“水”第2课“玩转小水轮”中，学生需要进行3组对比实验，探究水轮转动快慢与水位高低、水流量大小、水流冲击水轮叶片位置等因素的关系。探究影响水轮转动快慢因素实验对于低年级学生存在诸多操作上的难点，根据学生学情和教学需要，针对该实验教学中存在的难点，我自主设计开发出数显式新型水轮实验仪器。该实验装置将人为操作转变为实验装置控制，能同时设定1个不同条件，2个相同条件，增强实验的可见性和操作性，突破教材重点难点。学生能更直观地读取并记录数据，有效帮助学生完成自主探究。

◎设计制作

本教具的主要结构和实物图如图1所示。

◎科学原理与实验操作

实验一：探究水轮转动快慢与水流量大小关系

保持水流冲击水轮叶片位置不变，在同一高度，通过2个出水口大小不同的水杯（4mm和6mm），探究水轮转动快慢。

◆水流量小保持水轮位置不变，在同一高度，将水杯1（出水大小为4mm）放人第2层高度的水杯槽内左侧，打开水泵开关。此时，水泵抽取实验用脉至杯1中，水从杯底的硬管缓缓流出，水的流量小，水流冲击水轮叶片的内侧。学生观察水轮转动快慢，待液面稳定后，根据数显转速表记录数值区间（见图2）。

◆水流量大保持水轮位置不变，在同一高度，将水杯2（出水口大小为6mm）同样放入第2层高度的水杯槽内左侧，打开水泵开关。此时，水泵抽取实验用水至杯2中，水从杯底的硬管流出，水的流量大，水流同样冲击水轮叶片的内侧。学生观察水轮转动快慢，待液面稳定后，根据数显转速表记录数值区间（见图3）

实验二：探究水轮转动快慢与水位高低关系

保持水流冲击水轮叶片位置不变，使用同一水杯，通过改变水杯在实验装置上的高低位置，探究水轮转动快慢。

◆第1层高度保持水轮位置不变，将水杯1（出水口大小为4mm）放入第1层高度水杯槽的内左侧，打开水泵开关。水泵抽取实验用水至杯1中，水从杯底的一小段硬管流出。此时，水流从较低位置流出，水位低，水流冲击水轮叶片的内侧。学生观察水轮转动快慢，待液面稳定后，根据数显转速表记录数值区间（见图4）。

◆第2层高度保持水轮位置不变，将水杯1（出水口大小为4mm）放入第2层高度水杯槽的内左侧，打开水泵开关。水泵抽取实验用水至杯1中，水从杯底的一小段硬管流出。此时，水流从较高位置流出，水位高，水流同样冲击水轮叶片的内侧。学生观察水轮转动快慢，待液面稳定后，根据数显转速表记录数值区间（见图5）。

实验三：探究水轮转动快慢与水流冲击水轮叶片位置关系

在同一高度，使用同一水杯，通过移动水杯在水杯槽中的位置，使水流冲击水轮叶片位置不同，探究水轮转动快慢。

◆水流冲击水轮叶片内则在第1层高度使用同一水杯，将水杯放在水杯槽内左侧，打开水泵开关。水泵抽取实验用水至杯中，水从杯底的硬管流出。此时，水流冲击水轮叶片的内侧。学生观察水轮转动快慢，待液面稳定后，根据数显转速表记录数值区间（见图6）。

◆水流冲击水轮叶片外

侧在第1层高度使用同一水杯，将水杯移至水杯槽内右侧，打开水泵开关。水泵抽取实验用水至杯中，水从杯底的硬管流出。此时，水流冲击水轮叶片的外侧。学生观察水轮转动快慢，待液面稳定后，根据数显转速表记录数值区间（见图7）。

◎创新点

与现有教具相比，本教具具有如下创新。

实验装置自动控制

本装置将原有的人为操作转变为实验装置控制，通过2层高度板、出水口大小不同的水杯、可移动式水杯槽，分别控制水位高低、水流量大小、水流冲击水轮叶片位置这3个关键点，方便进行实验演示及数据分析处理，避免人为因素所产生的实验误差。

实验数据直观精确

本装置采用圆光栅编码器连接水轮计算圈数，并采用数显转速表显示在水流冲击下的水轮转速状态。学生不必再憑借感官判断水轮转动的快慢，而是通过数显转速表、光栅编码器与水轮的一体连接装置，根据数显转速表的读数直接判断，大提高了实验的谁确性。

实验过程简洁合理

通过安装水泵循环抽取实验用水，不仅能固定数显转速表的数值区间，方便观察与记录实验数据，还避免了因反复取水、倒水而造成的水资源浪费和实验过程拖沓。

实验装置部件精细

水杯装置中杯壁两端分别开孔，外接小段硬管，一为进水口，与水泵出水口通过软管连接;二为出水口，外接软管连通水槽，实验时能更好地稳定水位高度。此外，杯底出水口处增加一小段硬管，保证水向下流动的直线性。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该实验装置将人为操作转变为实验装置控制，能同时设定一个不同条件和两个相同条件，增强实验的可见性和操作性。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。