“智造”内燃机演示实验及其教学应用

王太军

(西北师范大学教育学院物理教育研究所，甘肃 兰州 730070)

初中阶段学生思维主要是以形象思维为主,在物理学习中通常需要借助实物具体形象才能更清楚理解物理原理.而对于“内燃机”的内容,现有教科书中以文字描述和插图的形式说明,[1]教师通常只能借用视频或Flash动画演示辅以讲解,虽然能取得一定的效果,但学生不能亲自尝试体验,难免乏味，教学效果欠佳.亦有建议带领学生到汽修工厂参观内燃机实物,这种方法虽然能将学生真实体验感加强,但便捷性与可视性效果并不理想.笔者经长时间尝试与实践,利用生活中常见物品“智造”出的内燃机演示实验,既满足教学的便捷性又能满足学生学习的趣味性和真实体验.

1 教具原理与制作方法

研制的内燃机演示实验由火花塞模拟点火装置和“V形”飞轮驱动装置两部分组成.火花塞模拟点火装置主要用于演示油气混合物在气缸内由火花塞点燃的过程;“V形”飞轮驱动装置主要演示燃烧后膨胀的气体推动活塞连杆带动飞轮转动的全过程.

1.1 火花塞模拟点火装置

(1) 原理与制作方式.

本实验的火花塞模拟点火装置是利用雾化的酒精容易被电火花点燃的特点制成的,对于油气混合物在气缸内由火花塞点燃的过程演示效果非常好.

图1 火花塞模拟点火装置

制作火花塞模拟点火装置所需材料:35 mL透明塑料空酒精瓶1个;6 cm缝衣针2枚(可用细长铁钉替代);压电陶瓷点火器1个(可从废旧普通打火机中拆得);95%浓度的酒精、用自带喷头的空花露水瓶.

制作组装方式:将两枚缝衣针分别从空酒精瓶的底部和靠近底端的侧壁穿入,约留1/4在瓶外,并使得瓶内两缝衣针针尖间距为0.3 cm-0.6 cm,如图1所示.

(2) 使用方法.

首先,用手握住插有缝衣针的空酒精瓶,用手指夹持住酒精瓶侧壁的缝衣针(该步骤直接关系到瓶内能否产生电火花),用压电陶瓷点火器的电火花输出导线末端靠近瓶底的缝衣针头,并按压点火,这样就可以看到瓶内两缝衣针尖间放出电火花,调试即完成.其次,用盛有95%浓度酒精的花露水瓶向塑料酒精瓶内喷洒少许酒精(一般喷1-2次即可);用浸水后的柔软纸团塞住瓶口;将压电陶瓷点火器靠近瓶底的缝衣针头点火(点火前瓶口切勿正对准他人),随着“嘭”一声响,瞬间瓶内酒精被点燃,纸团从瓶口飞离出去.最后,实验结束应立即用湿棉布捂住瓶口,防止瓶内酒精继续燃烧.

本实验的火花塞模拟点火装置充分展示了密闭气缸内油气混合物被电火花引燃的过程,同时形象地说明了燃烧后的气体内能增大可以对外做功(推动纸团飞离瓶口),即类同于内燃机中燃烧的油气混合物推动活塞运动.但是,活塞运动是如何推动飞轮连续转动的呢?仅火花塞模拟点火装置不足以展示内燃机活塞往复运动带动飞轮转动的过程.因此,笔者在此基础上研制出“V形”飞轮驱动装置,用以展示受热膨胀的气体推动活塞连杆带动飞轮转动的全过程.

1.2 “V形”飞轮驱动装置

制作原理与方法.“V形”飞轮驱动装置是根据斯特林发动机原理设计制作而成,利用受热膨胀与冷却回缩的空气推动活塞带动连杆往复运动,从而驱动飞轮转动,以形象展示热机活塞运动驱动外轮转动的过程.“V形”主要指该装置的加热缸和冷却缸呈排列“V形”,互成90°夹角.为形象说明燃油汽车中的电能来源,“V形”飞轮驱动装置中增加了磁铁、铜线圈和LED灯组,学生可观察冷却缸活塞来回运动时,附着其上的磁铁在线圈内往复穿梭发电而使LED灯组闪烁,整体结构如图2所示.

图2 “V形”飞轮驱动装置结构

结合图2,制作“V形”飞轮驱动装置所需的材料如表1所示.

表1 “V形”飞轮驱动装置制作材料参数列表

续表

按表1所列材料及要求,按照图2所示结构组装完成后,制作成的“V形”飞轮驱动装置.用酒精灯对“V形”飞轮驱动装置的加热缸进行加热,加热一段时间(约1-2 min)后,用手转动惯性飞轮,持续加热惯性飞轮即可连续转动起来.

2 实用效果与反思

本实验装置在教学中应用时,需要从火花塞模拟点火装置、“V形”飞轮驱动装置顺序依次展示,与教科书中内燃机的“四个冲程”内容有机结合,深度展示“内燃机”的工作原理.本实验克服了仅用flash动画、视频来演示内燃机(汽油机)工作原理的不足,更让学生能直观深度体验内燃机(汽油机)的工作过程.在课堂教学应用中,学生惊叹不绝,效果显著.

本实验模拟密闭气缸用的塑料材质透明酒精瓶,除了取材方便、成本低廉特点外,还具有突出优势:一是增强了实验现象的可视性和安全性,不至于像采用同样容积的玻璃瓶会因受热不均而引起破裂带来安全隐患;二是大小适中,用常见花露水瓶喷头喷洒酒精,一次喷洒的剂量刚好适中,不至于瓶内酒精浓度过大而燃烧剧烈容易引发危险,也不至于像用更大容积的塑料瓶那样,酒精浓度太低而不能顺利引燃,造成演示失败或效果不佳.

需要说明的是,本实验中“V形”飞轮驱动装置所用到的原理是斯特林发动机,它也属于热机的一种,尽管是采用外热的方式,但不同于已有相关研究,[2]本实验中的侧重点并不是探讨其具体的工作原理,而是向学生展示热机活塞的往复运动驱动飞轮转动的真实情景,增加演示实验的趣味性、可视性和体验感.[3]同时该实验可作为初、高中学生课外科技实践活动、通用技术、STEAM教育中趣味课程内容,让学生亲自动手参与制作,进一步提升学生的科学素养与创新实践能力.