“飲水鳥”在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用探討

黃德興

摘 要：“飲水鳥”為中國古代的一種益智玩具，其巧妙的設(shè)計令人稱奇。它的制作與工作原理涉及氣體壓強、能量守恒定律、物態(tài)變化、毛細(xì)現(xiàn)象、重心與力矩等諸多物理學(xué)知識，將其應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，不僅增加了教學(xué)的趣味性，也豐富了知識的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：飲水鳥；物理教學(xué)；科技制作

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）8-0034-2

1 飲水鳥的工作原理

飲水鳥為中國古代出現(xiàn)的一種益智玩具，它由一根玻璃管連通上下兩個薄壁玻璃球（以下簡稱上球與下球）組成，內(nèi)裝有乙醚類易揮發(fā)液體。由于乙醚易揮發(fā)，當(dāng)頭部浸水，蒸發(fā)吸熱，上下球的溫差產(chǎn)生內(nèi)部的氣壓差，從而使下球內(nèi)部的液體在氣體壓強的作用下上升，重心上移，打破平衡，從而使飲水鳥飲水。當(dāng)身體前傾到一定角度，玻璃管中的液體由于自身重力作用回流到下球，重心下移，回到初始位置，如此循環(huán)，原理簡圖見圖1。

據(jù)說愛因斯坦也對這個類似永動機的飲水鳥的巧妙設(shè)計感到驚嘆，但這個奇物的“出生”卻沒有多少文字記載，只是在國外的一本科普讀物上出現(xiàn)過。當(dāng)然，此文不去對飲水鳥的由來進行考證，主要目的在于將其作為一種教學(xué)資源進行討論。

2 飲水鳥涉及的物理學(xué)知識及在教學(xué)中的應(yīng)用

飲水鳥不是永動機，但要清楚解釋其工作原理，要涉及到能量守恒定律、重心與平衡、蒸發(fā)、氣體壓強、毛細(xì)現(xiàn)象等多方面的知識。下面進行具體分析。

2.1 熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律

看到飲水鳥，首先聯(lián)想到的便是永動機，但它并不違背熱力學(xué)第一定律，仍然遵守能量守恒。它的機械能來源于頭部的水蒸發(fā)帶走熱量，從而導(dǎo)致內(nèi)部氣壓的變化，產(chǎn)生重力勢能。因此，它與空氣進行著能量交換，可將它看成一個熱機。在講解能量守恒定律時，引入“飲水鳥”來討論永動機，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能為學(xué)生分析提供直觀參考。而且還可以在“能量的不同形式”“能量的轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移”“熱機工作原理”等方面作為一個實例進行分析。

2.2 氣體壓強與分子擴散現(xiàn)象

其次，產(chǎn)生的疑問便是：“下球的液體為何會上升？”當(dāng)浸有水的上球在水分蒸發(fā)帶走熱量后，上球內(nèi)部氣體分子冷凝，分子數(shù)量減少，壓強相對于下球要小，導(dǎo)致下球中液體沿玻璃管上升，致使重心變化。在此基礎(chǔ)之上，還可拓展出“除乙醚外，還可使用哪些液體”“還有什么辦法使其中液體上升”“增加壓強與減小壓強的方法有哪些”等，一個飲水鳥啟發(fā)學(xué)生對知識的綜合利用，何樂而不為。

2.3 物態(tài)變化伴隨的吸熱、放熱與蒸發(fā)

既然飲水鳥的動力源是上球的水分蒸發(fā)，可采取什么措施，使蒸發(fā)速度加快，從而使飲水鳥能頻繁的“飲水”呢？在冬天與夏天一樣嗎？在教室里與太陽下一樣嗎？在通風(fēng)處與背風(fēng)處一樣嗎？將水替換為酒精等易揮發(fā)液體，變?yōu)椤帮嬀气B”又有什么變化呢？等等關(guān)于蒸發(fā)快慢的條件，可通過此鳥得到驗證。又有什么樣的措施使“飲水”的頻率降低呢？放在冰箱里還能動嗎？要“飲水”需要與外界環(huán)境達到什么條件？等等一系列的問題，都可以從它而來，讓學(xué)生體驗探究的樂趣。

2.4 重心、重力和力矩

當(dāng)飲水鳥內(nèi)部的液體上升，重心的位置上移，打破平衡；當(dāng)液體回流，重心下移。從而直觀展示出重心與物質(zhì)的質(zhì)量分布的關(guān)系。假如將鳥身上的固定點位置改變會怎樣？是否會出現(xiàn)俯身“飲水”后就不再抬頭？要制作這樣的一只飲水鳥，還要考慮些什么？甚至還可將“重心的確定”“重力的大小與方向”“杠桿”“力矩”“力的圖示”“二力平衡的條件”等一系列物理知識穿插其中，作為章節(jié)知識復(fù)習(xí)的“引線”，讓復(fù)習(xí)課不再枯燥。

2.5 毛細(xì)現(xiàn)象

觀看飲水鳥時，是否會產(chǎn)生這樣的疑問：飲水鳥的頭部為何用棉布代替羽毛呢？為何嘴殼飲水，卻是“滿頭淋漓”，這便涉及到毛細(xì)現(xiàn)象。當(dāng)嘴殼飲水，水便沿棉線浸入頭部棉布，一方面增大了蒸發(fā)的面積，提供了充足動力，另一方面源源不斷的水分供應(yīng)，保持了飲水鳥的“永動”。這是毛細(xì)作用在生活中應(yīng)用的典型事例。

3 由“飲水鳥”而來的思考

3.1 發(fā)揮玩具的教育功能，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式

科學(xué)玩具成千上萬，涉及各個方面的科學(xué)知識，作為自然學(xué)科的教師，有意識地將科學(xué)玩具、游戲融入到自然學(xué)科教學(xué)當(dāng)中，不僅可以增加教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還可以啟發(fā)學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

新課程提倡探究式教學(xué)，發(fā)現(xiàn)身邊的課程資源，開發(fā)低成本實驗，使生活融入自然科學(xué)教學(xué)，使自然科學(xué)走進生活，能更好地促進教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

3.2 利用已有資源，開展科技制作

開展科技制作，可從模仿、改進開始。中小學(xué)科學(xué)、物理課倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的動手、創(chuàng)新能力，科技制作是應(yīng)大力提倡的方式之一。進行科技小制作、小發(fā)明的方法有：仿制已有物品，如制作簡易望遠(yuǎn)鏡；改進已有物品，如改進某個制作工藝，提高效率；已有物品的“另類”應(yīng)用，如利用高腳杯制作樂器；創(chuàng)造新物品等。利用身邊已有資源，開展科技制作課，是最便利的教學(xué)策略之一。

參考文獻：

[1]王勁存.趣味玩具在物理課堂教學(xué)中的運用——以“飲水鳥”為例[J].物理教師，2011，32（3）：35.

[2]季倬.對“氣壓類科學(xué)玩具”課程化的研究——科學(xué)玩具物理教育功能開發(fā)與研究系列之四[J].物理通報，2009（10）：5—8.

[3]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

（欄目編輯 李富強）