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    应用玩具培养学生的创造力(上)
    作者:刘炳昇 史慧敏    文章来源:教学仪器与实验    点击数:    更新时间:2010-4-21

    案例 永动机不可能

    ——揭开奇异饮水鸟的奥秘

    如图1所示的玩具称之为饮水鸟在饮水鸟旁的小碗中注水近满再把饮水鸟的头按低使其嘴喙插入至水中片刻后释放仔细观察出现的现象。

      

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    只见小鸟缓缓进入低头过程振荡几下以后低头到把嘴喙插入小杯的水中然后抬起头来。不一会它又低下头去重复上述过程往复不断地运动。

    这一现象是十分吸引学生的很容易激发起学生的好奇心。但在通常情况下由于学生回答不了产生这种奇特现象的原因因此好奇心得不到满足动机也就很快消失。另一种情况是学生去问教师教师把原理向学生通俗地解释一遍学生作为一个接受者听后理解了它的道理学到一些知识但却失去了一个自我探索的机会当然也就不能领会参与探索过程的乐趣及其中的科学方法。

    为了创设学生探索活动的情境首先必须对学生有所了解针对学生的水平提供适合于他们的创造平台。例如对于一般高中的学生可以把饮水鸟外表的漆全部除去使学生能够清楚地看到它的内部结构并给出较多的已知条件。这样饮水鸟就成为了一个系统科学方法上“白箱”即系统信息是完全明确的),让学生通过自学获得一定的准备知识后去解释自己观察发现的现象。如果对象是水平较好的学生则可以把饮水鸟颈部玻璃管外的漆刮去使学生通过这一“窗口”搜集到部分的信息然后再进行探索。此时饮水鸟就成了一个系统科学方法上“灰箱”即只能得到系统的部分信息。如果对象是相当优秀的学生则可以使学生完全看不到饮水鸟的内部让学生通过外部现象的观察来进行探索此时饮水鸟就成了一个系统科学方法上的“黑箱”系统内部的信息完全不明。在这三种情况下解决问题的难度是不一样的我们称之为问题的“解答距”不一样。针对不同的学生设置不同的“解答距”可以使每个学生在解决问题时都能得到相应的发展也可以设置一连串解答距逐渐变化的问题使学生既面临问题的挑战又不致因问题过难而终止。

    为了激发学生探究的动机应当从深层次上使学生产生疑问。明确地告诉学生这种玩具内部没有诸如电池、发条等的动力源学生们就会思考为什么饮水鸟会不停地运动它是一种永动机吗我们在学物理时有一个最重要的观点就是能量不会无中生有永动机不可能但饮水鸟为什么会不停地运动为了回答上面的问题有必要进行深入地探究。

    如果没有一定的知识基础,学生的探究活动也无法进行因此需要给学生一定的知识准备。对于水平比较好的学生可以放手让他们自己去寻找信息源对于能力水平较低的学生则应给予更多的帮助。

    知识准备

    本课题涉及到的知识主要是物理学和哲学知识。具体有

    1. 有固定转动轴物体的平衡条件物体所受外力的合力矩等于零。静止的物体如果合力矩不为零就要发生转动。

    2. 毛细现象物体中存在很细的管道或间隙时称为毛细管),对物体浸润的液体就会沿毛细管上升像吸水纸、毛巾之类的物体能吸水就是这种原因。

    3. 蒸发致冷液体在汽化时部分液体的分子变为气体分子分子的能量变大这种能量的增加是靠液体内能的减小来补偿的因此蒸发时液体的温度要降低。

    4. 饱和汽敞开容器中的液体表面要不断地向空气中蒸发加盖后随着蒸发的进程封闭空间中汽的密度越来越大到一定的程度达到饱和即进入空气中的分子数与返回液体中的分子数相等此时的汽称为饱和汽。饱和汽的性质与理想气体不同饱和汽压的大小与气体的体积无关随温度的升高降低而迅速地加大减小。像乙醚这种液体饱和汽压随温度的变化特别灵敏。

    5. 能量守恒定律能量不会无中生有也不会有中变无只能是由一种形态转变为另一种形态或者由一个物体转入另一个一些物体中。永动机不可能实现。封闭的系统不可能走向有序。

    [实践与研究]

    为探索饮水鸟的奥秘需要在观察和实验中解决下列问题

    ①见到哪些现象想到了哪些问题

    ②想象出它的内部结构并分析饮水鸟连续动作的原因。怎样思考的根据哪些现象提出问题和作出假设

    ③能否用另一种方式的实验来验证我们提出的假说最终的结论是如何得来的

    ④这种“机器”能否看成是一种永动机为什么

    上述问题不应和盘托出教师采取的行动要适应学生的特定要求要善于选择指导学生的时机和方法。鼓励学生自己提出问题和互相讨论。从如下一个学生的论文中可以看到学生的探究过程及其收获。

    论文

    我们对这一实验非常感兴趣在定性实验前我们学习了有关的准备知识为使我们能够看到一些现象教师把饮水鸟颈部的漆刮掉了部分并告诉我们饮水鸟内部装有乙醚这种液体。我们一次又一次地观察并相互讨论观察得非常仔细。开始我们猜想可能与小鸟低头“饮水”有关是否是杯中的水吸到头上使重心前移但为什么会抬头呢抬头后没有饮水为什么又低下头来呢我们不能解释。后来我们又发现管中有液柱上升的现象因此假设由于液柱上升而使重心前移于是提出图2的模型但为什么液柱会上升呢还是不能解释。我们又仔细的观察发现小鸟的头部有一层湿润的材料覆盖吸湿性好的纱布),它与液柱上升有什么联系呢当我们积极思考而难以进展的时候有的同学想到了一种伽里略气体温度计的模型如图3(a)所示当上方烧瓶外表的水份蒸发时玻璃管中的液柱就会上升。由这个模型使我们得到启发经过讨论找到如图3(b)的模型。尾泡中有乙醚的液体将头泡和尾泡隔开形成两个气室。乙醚具有易挥发的特点头泡和尾泡的气室中充满乙醚的饱和汽:于是我们想到了液柱上升的原因可能是尾泡与头泡间的温度差。而温度差的形成又是由于头泡表面吸湿后水的蒸发造成的。这样就得到如下的逻辑温度差——压强差——液柱上升——重心升高——倾倒。而饮水鸟低头后为什么会抬起头来偶然间我们发现小鸟每低一次头在颈部玻璃管外都有一个气泡产生气泡是从尾泡中来的当我们用手握住尾泡时发现液柱上升更快气泡更容易产生这些现象启发了我们提出“当小鸟倾倒到一定程度时尾泡中玻璃管口离开液面气泡沿管上升头泡中的气体压强变大液体倒流回尾泡从而使饮水鸟又抬起头来4(a)”的假设。它能够较满意地解释表观的现象。

      

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    整个过程解释如下由于头泡表面水分的蒸发使头泡温度降低内部的饱和汽压减小而尾泡内的汽压不变因此管内的液柱上升。当整体的重心到达支点的前上方时小鸟低头饮水。一旦低到使尾泡内的玻璃管口与其中的气室相通时乙醚蒸气将沿管上升于是管中的液体就会倒流入尾泡内从而使小鸟又抬起头来。以后又不断地重复上述过程。

    下一步就是如何用实验证实这种结构设想的正确性。通过讨论我们提出了定性实验的方案创造条件做一些实验例如将头部用电吹风吹干使头泡与尾泡不产生温度差小鸟也就动不起来又如容器中不装水使头泡温度不变在尾泡附近用小蜡烛加热从而使头泡与尾泡间产生温度差同样可以看到小鸟在不停的抬头和低头于是我们的设想得到验证4(b)。当我们通过自己的发现揭示饮水鸟的奥秘时我们的高兴是难以形容的。

    当饮水鸟的结构模型和运动机理搞清以后是否是永动机的问题也就不难解决。小鸟的运动最终要靠杯中水来提供随着时间的推移杯中水越来越少加水就必须要有外界做功做功就要消耗其他形式的能量。另外这个小鸟玩具也必须处于开放的状态如果处在一个封闭的空间内水汽达到饱和也就不可能产生致冷现象头泡和尾泡的温度趋于相同运动也就不可能产生。这个实验也再一次地说明永动机不可能

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