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      淺談中國(guó)古代玩具中的物理現(xiàn)象

      2017-03-24 10:18:59曾治琳
      中國(guó)科技縱橫 2017年2期
      關(guān)鍵詞:中國(guó)古代探討分析物理現(xiàn)象

      曾治琳

      摘 要:中國(guó)玩具的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng),最早可追溯到原始社會(huì)。玩具是在人類社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)作而成的,符合人類生活中對(duì)娛樂的需求,在一定程度上反映了社會(huì)生活狀態(tài)。作為玩具,應(yīng)具有寓教于樂的功能,在物理學(xué)知識(shí)自古就應(yīng)用甚廣的中國(guó),即使小小的玩具中也暗藏玄機(jī),飲水鳥、走馬燈、公道杯等都向我們?cè)V說(shuō)著不同的物理現(xiàn)象。下文將通過分析部分古代玩具的原理,深層次探討其應(yīng)用的物理現(xiàn)象。

      關(guān)鍵詞:中國(guó)古代;玩具;物理現(xiàn)象;探討分析

      中圖分類號(hào):O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2017)02-0209-02

      提到玩具,我們總會(huì)產(chǎn)生許多聯(lián)想,它伴隨著我們每個(gè)人的童年生活,豐富著兒童的視野,玩具中蘊(yùn)含的各種知識(shí)也可以加強(qiáng)我們對(duì)學(xué)習(xí)書本上的了解,對(duì)我們的生活學(xué)習(xí)起著重要的作用。其實(shí)玩具不僅存在于我們現(xiàn)代社會(huì),早在中國(guó)古代就有玩具的廣泛存在,古人依靠自己的智慧,創(chuàng)造出了各式各樣的玩具,包括魔壺、公道杯等,它們?cè)诠湃说纳罟ぷ髦嗥鹬匾淖饔?。下文從物理的角度分析中?guó)古代玩具的諸多內(nèi)涵,探討物理知識(shí)在古代玩具中的應(yīng)用。并給出玩具的獨(dú)特意義所在。

      1 飲水鳥

      飲水鳥是我國(guó)古代的一種益智類的玩具,它的神奇之處讓偉大的科學(xué)家愛因斯坦都深表驚嘆。飲水鳥由一根玻璃管和上下兩個(gè)較薄玻璃球組成,兩個(gè)玻璃球分別作為飲水鳥的頭和軀體,并且內(nèi)部裝有乙醚類的易揮發(fā)液體,玻璃管與兩個(gè)玻璃球相互連通,構(gòu)成一個(gè)較為密閉的容器。同時(shí)鳥的四周包有一層比較容易吸水的棉布,在正常的狀態(tài)下,鳥的身體會(huì)略微前傾。因?yàn)橐颐演^容易揮發(fā),所以當(dāng)飲水鳥的頭部浸水時(shí),布上的水就會(huì)蒸發(fā)吸收大量熱量,從而使其頭部的乙醚飽和氣在降溫的同時(shí)降壓,而這樣又會(huì)使得蒸汽相互飽和,最終上下兩個(gè)玻璃球的溫差致使飲水鳥產(chǎn)生內(nèi)部氣壓差,導(dǎo)致下球的液體在氣壓作用下上升,飲水鳥重心的上移,致使原有平衡被打破,鳥身隨上升的乙醚液體前傾,使得飲水鳥嘴部接觸液體,出現(xiàn)飲水狀。當(dāng)飲水鳥的身體傾到一定程度時(shí),受重力的作用又會(huì)回到原始位置,如此進(jìn)行循環(huán)。

      在飲水鳥的工作原理中,包含許多物理知識(shí)。首先它涉及到能量守恒定律。這個(gè)充滿奧秘的冒牌永動(dòng)機(jī)是符合能量守恒的定律的。它的機(jī)械能來(lái)自于飲水鳥頭部的水蒸發(fā)所吸收的周圍空氣的熱量,從而導(dǎo)致內(nèi)部氣壓產(chǎn)生變化,轉(zhuǎn)化成了重力勢(shì)能。其次是氣體壓強(qiáng)與分子的擴(kuò)散現(xiàn)象,分子擴(kuò)散是質(zhì)量傳遞的一種基本方式。當(dāng)浸水的上球在水分的蒸發(fā)后帶走熱量,上面玻璃球內(nèi)部的氣體就會(huì)冷卻,分子數(shù)量相應(yīng)的減少,導(dǎo)致壓強(qiáng)相對(duì)于代表飲水鳥身體的下玻璃球變小。由菲克定律可知,一定條件下,壓強(qiáng)越小,分子擴(kuò)散系數(shù)即分子的擴(kuò)散能力越強(qiáng),這使得下面玻璃球中的液體沿著玻璃管上升,使得重心發(fā)生變化。此外還有物態(tài)的變化等物理現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為吸熱、放熱和蒸發(fā),蒸發(fā)速度的加快會(huì)使飲水鳥飲水的次數(shù)增多,玻璃球內(nèi)液體的不同會(huì)產(chǎn)生不同程度的吸熱、放熱與蒸發(fā),帶來(lái)不同的效果等。這些不同的物理現(xiàn)象在古代玩具中表現(xiàn)的淋漓盡致,給我們帶來(lái)了不同的思考。

      2 走馬燈

      走馬燈也是一種古代較為有趣的玩具,它又叫“馬騎燈”,走馬燈的發(fā)明對(duì)于現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起到了借鑒作用。走馬燈首先需要用牛皮紙做風(fēng)車的葉片,在葉片的中心用細(xì)鐵絲勾住,并將鐵絲的上段部分用細(xì)線掛在鐵架臺(tái)上,在使用彩色的紙圍繞風(fēng)車葉片的直徑做成圓柱,將圓柱粘在紙風(fēng)車上。在走馬燈之下點(diǎn)燃酒精燈,會(huì)看到走馬燈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

      走馬燈中的物理現(xiàn)象表現(xiàn)為對(duì)熱能知識(shí)的使用,當(dāng)走馬燈的燈亮?xí)r,就會(huì)產(chǎn)生一定的熱能,這些產(chǎn)生的微弱熱能以及熱氣流會(huì)帶動(dòng)走馬燈葉片的轉(zhuǎn)動(dòng),再帶動(dòng)整個(gè)走馬燈的整體的旋轉(zhuǎn)。

      3 公道杯

      公道杯這一古代玩具中也存在著豐富的物理現(xiàn)象,它主要采用的是物理知識(shí)中流體力學(xué)方面的內(nèi)容,當(dāng)向公道杯中倒入水時(shí),五成滿的水時(shí)是不會(huì)流出,當(dāng)七成滿時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)也不會(huì)有任何實(shí)質(zhì)性變化,而當(dāng)馬上公道杯中的水達(dá)到十成滿時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)有一股細(xì)長(zhǎng)的水流從杯子底部的小孔中迅速流出。公道杯最早發(fā)明于我國(guó)的宋代,以此來(lái)勸誡一些貪杯的人。

      公道杯的設(shè)計(jì)過程中巧妙的運(yùn)用了物理知識(shí)中的流體力學(xué)的虹吸原理,當(dāng)水從高處通過一條拱起的彎管,先向上再向下流到低處,因其彎管要呈倒U字形且一端比較長(zhǎng),使用時(shí)管內(nèi)首先充滿液體。公道杯里面和外面兩孔是相連的,當(dāng)杯中的水低于或平于小圓突點(diǎn)時(shí),水不能漫過彎道而泄流,當(dāng)超過小圓突點(diǎn)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一定的壓力,使其通過虹吸的原理導(dǎo)致水流流出公道杯。

      4 魔壺

      說(shuō)起魔壺,首先要說(shuō)一下倒流壺,它的壺身是桃子形狀的,頂部密封沒有壺蓋,將壺倒置,下面會(huì)有一個(gè)黃豆大小的孔洞,孔洞與壺內(nèi)的隔水管相互連接,水可以從孔洞中灌進(jìn)去,從而流到隔水管外的空間。因?yàn)閴刈斓奈恢迷O(shè)有擋板,所以注水時(shí)可以保證壺嘴不出水。注完水后,再將壺倒過來(lái),此時(shí)又由于隔水管上端高于壺內(nèi)的水位,所以仍舊滴水不漏。它最早在游牧民族中廣泛使用,采用物理學(xué)的“連通器液面等高”的原理。

      而魔壺,原名叫“鴛鴦壺”,它可以倒出兩種不同的液體,原由就是魔壺中有兩個(gè)壺膽,兩個(gè)壺膽分別有不同的入口,但是共用于一個(gè)出口,當(dāng)兩個(gè)壺膽盛有不同的酒時(shí),按住一個(gè)入口,另一種酒就會(huì)從出口倒出,加入壺中有多個(gè)膽,就可以倒出多中酒類。魔壺中運(yùn)用的是物理中氣壓的原理,采用不同的大氣壓產(chǎn)生不同的效果。

      5 竹蜻蜓

      說(shuō)到竹蜻蜓,這種古代玩具現(xiàn)如今也可以看到,是我們大眾娛樂的工具之一。相傳竹蜻蜓在一千四百多年的中國(guó)就廣泛存在,它是用竹片削成的,竹蜻蜓的葉片比較像螺旋槳,在葉片中間插上一根竹竿,當(dāng)玩耍的時(shí)候,用手用力搓竹竿,葉片就會(huì)升起來(lái),從遠(yuǎn)處看竹蜻蜓,好似一只活靈活現(xiàn)的真正的蜻蜓,也因此而得名。

      竹蜻蜓的葉片上下的表面空氣的流速是不相同的,它就是利用物理中“流體流速大的地方壓強(qiáng)小”的原理,通過產(chǎn)生上下兩種不同的壓力,作用后形成向上的升力,促使竹蜻蜓飛起來(lái)。相傳在明朝時(shí)期竹蜻蜓傳到法國(guó),并稱之為“中國(guó)陀螺”,飛機(jī)的發(fā)明者萊特兄弟就曾玩過竹蜻蜓。

      6 陀螺

      陀螺也是一種在我國(guó)古代被廣泛玩耍的玩具之一,在四五千年前的新石器時(shí)代就有石質(zhì)陀螺的出現(xiàn),陀螺的物理現(xiàn)象表現(xiàn)在其轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,當(dāng)陀螺不轉(zhuǎn)的時(shí)候,由于重心的原因常常會(huì)向一側(cè)偏轉(zhuǎn),而在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,陀螺會(huì)由于重心偏轉(zhuǎn)而沿圓周轉(zhuǎn)動(dòng),這樣就不會(huì)倒下,因此陀螺轉(zhuǎn)的越快越不容易倒下。

      在陀螺的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中,無(wú)論地面是否平整,陀螺都會(huì)轉(zhuǎn)的十分穩(wěn),保持轉(zhuǎn)軸方向不變,這在物理學(xué)中采用的是“定軸性”的原理,使用這種特點(diǎn)可以用來(lái)指示方向。當(dāng)前陀螺運(yùn)用廣泛,尤其在導(dǎo)航上,它已經(jīng)不僅僅是一種古代的玩具,更是“指南針”式的工具。

      因?yàn)橥勇莸倪\(yùn)動(dòng)由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成:繞中軸的自轉(zhuǎn)和中軸繞垂線的反向圓錐運(yùn)動(dòng)。選取陀螺上最靠近中垂線(圖中和平面垂直那條線)的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)和最遠(yuǎn)離中垂線的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)最為參考,反向的圓錐運(yùn)動(dòng)使得兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)一個(gè)加速另一個(gè)減速,因此造成水平上的離心力不平衡!通過上述對(duì)飲水鳥、走馬燈、公道杯、魔壺、竹蜻蜓以及陀螺等古代玩具的介紹,以及這些玩具中蘊(yùn)藏的物理原理,我們可以發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象其實(shí)廣泛存在于我們的生活之中,這些玩具的存在在一定程度上具有非凡的教育意義,在古代它在豐富人們的業(yè)余生活的同時(shí),會(huì)是人們得到諸多的啟示。玩具發(fā)展到今天,我們不能單單只將其當(dāng)做娛樂工具,更要發(fā)揮玩具的教育意義,有意識(shí)的選擇益智類的玩具,活動(dòng)兒童的大腦,培養(yǎng)其動(dòng)手的能力,讓玩具中的科學(xué)走入我們的日常生活,在學(xué)習(xí)之余輕松的掌握書本知識(shí),增強(qiáng)對(duì)物理的理解能力。其次,在原有玩具的基礎(chǔ)之上,可以使兒童模仿制造,并進(jìn)行大膽的創(chuàng)新,豐富視野,發(fā)揮玩具的獨(dú)特作用。

      參考文獻(xiàn):

      [1]季倬.對(duì)"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)和研究系列之四[J].物理通報(bào),2009年10期 .

      [2]邱為鋼,陶濤,俞嘉玲.玩具中的物理:鑲嵌雪花片的滾動(dòng)軌跡[J].物理教師,2014年9期.

      [3]季倬.對(duì)"碰撞反沖類"科學(xué)玩具課程化的研究——科學(xué)玩具的物理教育功能開發(fā)和研究系列之九[J].物理通報(bào),2010年5期.

      [4]江德斌.“太空授課”重在激發(fā)好奇心和創(chuàng)新力[J].湖南教育(上旬刊),2013年7期.

      [5]王中立.浸塑EPVC的高性能化及工藝的研究[J].高分子化學(xué)與物理,合肥工業(yè)大學(xué).2012(學(xué)位年度).

      [6]陳釗.永磁直流電機(jī)換向及其相關(guān)問題的研究,電氣工程[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010(學(xué)位年度).

      [7]華麗娟.關(guān)于生活中物理現(xiàn)象與新課程高中物理教學(xué)銜接的探討.考試周刊,2013年22期.

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