“又快又穩(wěn)”的“水冷卻”居里點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)
——IYPT2018年賽題實(shí)驗(yàn)制作分析

崔衛(wèi)國

(南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005)

近年全國大學(xué)生和中學(xué)生對(duì)PT實(shí)驗(yàn)研究的熱情越來越高,2018年IYPT的17個(gè)實(shí)驗(yàn)又再次成為大學(xué)生和中學(xué)生的熱點(diǎn)話題．實(shí)驗(yàn)涉及實(shí)驗(yàn)器材的制作或創(chuàng)作、實(shí)驗(yàn)的測(cè)量和模擬、實(shí)驗(yàn)的理論探討.這些實(shí)踐正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中“物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的綜合體現(xiàn)．2018年的第12題引發(fā)了筆者實(shí)驗(yàn)創(chuàng)作的欲望,和學(xué)生一起制作了既簡(jiǎn)潔又便于精確測(cè)量的實(shí)驗(yàn)器材．

1 IYPT2018年第12題賽題

第31屆青年物理學(xué)家競(jìng)賽賽題第12題.

譯文：居里點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī).制作一個(gè)可以繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鎳盤．在圓盤邊緣放一塊磁鐵并加熱它的一面,圓盤開始旋轉(zhuǎn)．研究影響旋轉(zhuǎn)的參數(shù),并對(duì)圓盤的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．

筆者先做幾個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)中尋找影響轉(zhuǎn)動(dòng)快慢的物理量．

圖1

2 預(yù)實(shí)驗(yàn)與鎳盤轉(zhuǎn)動(dòng)分析

2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

預(yù)實(shí)驗(yàn)1.取薄鎳板制作一個(gè)半徑為r=15 mm的薄圓片鎳盤,將磁鐵靠近并用酒精燈在B區(qū)域加熱,如圖1,觀察現(xiàn)象．

現(xiàn)象:鎳盤被加熱后轉(zhuǎn)動(dòng)加快,然后減速,再加速,減速甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn);一段時(shí)間后鎳盤受熱至發(fā)紅,不再轉(zhuǎn)動(dòng)．

圖2

預(yù)實(shí)驗(yàn)2:用鎳絲彎成水平圓環(huán)形鎳盤,鎳盤繞豎直軸O可以自由轉(zhuǎn)動(dòng),如圖2．保持使用相同磁鐵且保持磁鐵與鎳盤的距離x0不變．在圓盤靠A的一側(cè)固定磁鐵,在鎳盤上的B點(diǎn)用酒精燈加熱．

現(xiàn)象:加熱稍許,鎳盤沿逆時(shí)針方向突然加速旋轉(zhuǎn),此后變慢,快慢交替,加熱時(shí)間稍長(zhǎng)后,轉(zhuǎn)速變慢,甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象．

據(jù)《中國儲(chǔ)運(yùn)》記者查到的更多的披露信息顯示，阿里將設(shè)立一家控股公司，作為本地生活服務(wù)的旗艦公司，并已收到來自阿里集團(tuán)和軟銀集團(tuán)等投資者的超過30億美元投資承諾。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)分析

鎳盤轉(zhuǎn)動(dòng)的原因:預(yù)實(shí)驗(yàn)中B處的鎳受熱超過居里點(diǎn)后突然失去磁性,磁鐵左側(cè)的對(duì)稱點(diǎn)B′處的鎳所受磁力F未消失,它的力矩M1大于軸O所受阻力f的力矩M2時(shí),鎳盤就發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．

鎳盤轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)的原因:B處被加熱達(dá)到居里點(diǎn)后鎳盤立即轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速較快時(shí),B左側(cè)進(jìn)入加熱區(qū)的鎳還未被加熱到居里點(diǎn),B右側(cè)的鎳尚未降溫至居里點(diǎn)以下,此時(shí)磁動(dòng)力矩變小,于是鎳盤的轉(zhuǎn)速變慢．當(dāng)鎳盤轉(zhuǎn)速變慢后,B處的鎳重新有較長(zhǎng)時(shí)間被加熱到居里點(diǎn)時(shí),磁力矩恢復(fù),轉(zhuǎn)速又開始加快．

鎳盤反轉(zhuǎn)的原因:轉(zhuǎn)速較快時(shí),隨加熱時(shí)間增長(zhǎng),BB′連線上方及B′A之間的鎳絲可能剛好全部處于居里點(diǎn)以上,而B左側(cè)低于居里點(diǎn)溫度的鎳尚未進(jìn)入加熱區(qū),此時(shí)BA受到的磁力矩成為阻礙逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩,這就使得鎳盤減速,甚至可能形成順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的鎳盤．

3 制作“轉(zhuǎn)得快”的鎳盤

3.1 初探影響鎳盤轉(zhuǎn)速的參數(shù)

(1) 磁鐵的磁性.磁性越強(qiáng),鎳絲獲得的磁驅(qū)動(dòng)力矩就越大;但磁性越強(qiáng),因磁鐵對(duì)鎳盤的水平吸引力會(huì)增大,轉(zhuǎn)軸阻力矩也增大．對(duì)結(jié)構(gòu)固定的鎳盤,磁鐵磁性強(qiáng)弱(本實(shí)驗(yàn)中的磁鐵為4片紐扣狀半徑12mm、厚2mm的釹鐵硼強(qiáng)磁)會(huì)影響鎳盤的轉(zhuǎn)速．

(2) 磁鐵與鎳盤的距離.距離越近,磁力越強(qiáng),但也會(huì)造成轉(zhuǎn)軸阻力增大．距離較大可以用較強(qiáng)磁性的磁鐵來彌補(bǔ),但磁鐵確定后,這個(gè)參數(shù)“距離”的值會(huì)極大影響鎳盤的轉(zhuǎn)速．

(3) 合適的加熱位置.加熱點(diǎn)越靠近磁鐵,鎳盤獲得的磁驅(qū)動(dòng)力越大,但過于靠近圖2中A點(diǎn)時(shí),又因力臂急劇減小產(chǎn)生不利于轉(zhuǎn)動(dòng)的影響．

(4) 效率高的冷源.希望鎳盤磁力矩更大,這就需要讓磁鐵左前方B′側(cè)的鎳“立即”低于居里點(diǎn)358℃,即降溫時(shí)間要極短.對(duì)B′側(cè)的鎳如何進(jìn)行有效降溫呢?這是制作快速轉(zhuǎn)動(dòng)鎳盤的關(guān)鍵.

3.2 制作關(guān)鍵的突破

上述幾個(gè)參數(shù)中,最難解決的是如何讓鎳絲在最應(yīng)該降溫的區(qū)域快速降溫.

解決途徑1:鎳絲要“細(xì)”、“分”、“隔”.

直徑越大即越粗的鎳片或鎳絲,不易傳熱也不易散熱,會(huì)造成鎳盤很不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng),甚至最終不再轉(zhuǎn)動(dòng)．直徑越小即越細(xì)的鎳絲能在加熱時(shí)快速達(dá)到居里點(diǎn)以上,也能快速散熱,故直徑較小，即較細(xì)鎳絲成為制作鎳盤的首選．但過細(xì)的鎳絲所受磁力會(huì)很小,甚至不能啟動(dòng)鎳盤的轉(zhuǎn)動(dòng)．實(shí)驗(yàn)證明,直徑0.4 mm左右的鎳絲在加熱時(shí)很容易達(dá)到居里點(diǎn),也很容易低于居里點(diǎn)以下,也容易獲得較大的磁力．

選擇較細(xì)的鎳絲后,在B處獲得的高熱能沿圓環(huán)形鎳絲輕易傳至磁鐵的左前方,這是鎳盤反轉(zhuǎn)的主要原因．如何改進(jìn)呢?“分”和“隔”的念頭涌入大腦．將連續(xù)的鎳絲切割成多段,彼此分隔,熱就不易連續(xù)沿圓周傳遞了．思考后提出兩種設(shè)想,如圖3所示的“T型”鎳盤和圖4所示的輻射狀“*型”鎳盤．

經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè),圖3和圖4的鎳盤在用酒精燈加熱時(shí)出現(xiàn)較快速的轉(zhuǎn)動(dòng),但仍然出現(xiàn)間或減速和不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象,而且圖3“T型”鎳盤的最大轉(zhuǎn)速明顯小于圖4“*型”鎳盤的最大轉(zhuǎn)速．于是,制作鎳盤的期望形狀暫定以圖4輻射狀“*型”鎳盤為主要藍(lán)圖．

圖3 “T型”鎳盤

圖4 “*型”鎳盤

解決途徑2:降溫用“水冷卻”.

在磁鐵的左前方使用液氮降溫效果比較好．但是液氮并不是生活中的常用物品,也不易隨拿隨用．如何用簡(jiǎn)單常規(guī)的方法解決這個(gè)難題呢?

筆者想到了水.水的最高溫度是100℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎳的居里點(diǎn)358℃.將棉紗布剪成圓形壓在鎳盤中心,加冷水使其完全潮濕,如圖5所示．在鎳絲遠(yuǎn)離圓心的外端加熱超過居里點(diǎn)后,鎳絲近圓心部分的內(nèi)端始終處于低溫冷水中,會(huì)迅速將外端的溫度降低到居里點(diǎn)以下．制成的實(shí)物鎳盤選用32根長(zhǎng)為3.5 cm、直徑為0.4 mm的鎳絲,將鎳絲插入兩個(gè)鏤空鋁片之間的棉布夾層中,形成旋轉(zhuǎn)最大半徑為45 mm的鎳盤,實(shí)驗(yàn)時(shí)將整個(gè)鎳盤滴水至棉紗布濕潤,如圖6．

圖5 水冷卻鎳絲示意圖

圖6 水冷卻“*型”鎳盤實(shí)物圖

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn):取用上述圖6制作的鎳盤,用冷水將棉布浸潤至潮濕,調(diào)節(jié)磁鐵與鎳盤的距離至合適,然后用酒精燈在圖5所示的B處加熱．

現(xiàn)象:鎳盤的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)“又快又穩(wěn)”的狀態(tài)．

分析:當(dāng)酒精燈在B處加熱,B處鎳絲失去磁性,鎳盤立即逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)高于居里點(diǎn)的鎳絲離開加熱區(qū)后,處于冷水浸泡的部分立即使得外側(cè)高溫鎳絲降溫,該鎳絲轉(zhuǎn)至B′處時(shí)溫度早就降至居里點(diǎn)以下了．于是,鎳盤能夠短時(shí)間被加速至較高轉(zhuǎn)速后形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)．“又快又穩(wěn)”的鎳盤制作成功.

至此,這個(gè)簡(jiǎn)潔的鎳盤可以為IYPT2018年第12題的實(shí)驗(yàn)探究提供服務(wù)了．

4 制作“轉(zhuǎn)得更穩(wěn)” 的鎳盤

4.1 鎳絲根數(shù)更多

半徑45 mm的輻射狀“*型”鎳盤的鎳絲根數(shù)較少時(shí),就會(huì)出現(xiàn)不轉(zhuǎn)(4根時(shí)),或者不穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)(8根和16根時(shí)),當(dāng)鎳絲的根數(shù)達(dá)到32根時(shí)就可觀察到較為恒定轉(zhuǎn)速了．這是什么原因呢?

仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn),鎳絲根數(shù)較少時(shí),加熱的對(duì)象就是1根鎳絲,加熱下一根需要一定的時(shí)間．當(dāng)鎳絲根數(shù)增多后,加熱區(qū)域內(nèi)就達(dá)到2根或3根以上的鎳絲了．鎳盤的磁力矩就獲得了較為穩(wěn)定的輸入和輸出．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用64根鎳絲制作的鎳盤用酒精燈加熱時(shí)就可以獲得相當(dāng)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速了．能不能無限增加鎳絲的根數(shù)呢?顯然是不行的,因?yàn)闊o限根鎳絲的鎳盤就相當(dāng)于圖1所示的鎳盤,這對(duì)如何迅速降溫提出了更高的要求．因此,輻射狀“*型”鎳盤的鎳絲根數(shù)也是有一個(gè)極限數(shù)目的． “根數(shù)”也是影響鎳盤轉(zhuǎn)速的重要參數(shù)．

4.2 熱源用噴槍

如果換用蠟燭加熱32根鎳絲制作的鎳盤,發(fā)現(xiàn)還是存在轉(zhuǎn)速失穩(wěn)的現(xiàn)象．這又是什么原因呢?原來蠟燭的加熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于酒精燈!蠟燭不能使得剛剛進(jìn)入加熱區(qū)的鎳絲溫度迅速超過居里點(diǎn)．可見,效率高的“熱源”很重要.要讓鎳盤“轉(zhuǎn)得穩(wěn)”,就是需要讓鎳盤極短時(shí)間內(nèi)獲得連續(xù)、穩(wěn)定的磁力矩．

酒精噴燈或液化氣噴槍火力很大,而且加熱區(qū)域擴(kuò)大,加熱效率大幅度提高,使得進(jìn)入加熱區(qū)的鎳絲溫度“立即”超過居里點(diǎn)．于是,鎳盤在極短時(shí)間內(nèi)能始終獲得持續(xù)的磁驅(qū)動(dòng)力．改用火力更大的噴槍進(jìn)行加熱后,鎳盤不但轉(zhuǎn)速加快,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速也能確保了,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速能達(dá)到21 rad/s．

因此,效率高的熱源和具有更多鎳絲的鎳盤是保證鎳盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的必要條件．當(dāng)然,利用了高效 “熱源”就更加離不開有效的“冷源”了．

一個(gè)精致、能為精確測(cè)量服務(wù)的居里點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)終于制作完成．這個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)器材為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)探究和理論研討提供了源源不斷的支撐．總之,在制作鎳盤的前后,師生一起動(dòng)手,一起討論和改進(jìn),取得了第一手的制作經(jīng)驗(yàn),增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手制作的實(shí)踐能力,為改進(jìn)和創(chuàng)新積累了最原始的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).這是育人的好途徑、好方式．希望PT實(shí)驗(yàn)?zāi)茏尭嗟闹袑W(xué)生喜歡,PT實(shí)驗(yàn)是能真正實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要載體．