“饮水鸟”在中学物理教学中的应用探讨
1 饮水鸟的工作原理 饮水鸟为中国古代出现的一种益智玩具，它由一根玻璃管连通上下两个薄壁玻璃球（以下简称上球与下球）组成，内装有乙醚类易挥发液体。由于乙醚易挥发，当头部浸水，蒸发吸热，上下球的温差产生内部的气压差，从而使下球内部的液体在气体压强的作用下上升，重心上移，打破平衡，从而使饮水鸟饮水。当身体前倾到一定角度，玻璃管中的液体由于自身重力作用回流到下球，重心下移，回到初始位置，如此循环，原理简图见图1。 据说爱因斯坦也对这个类似永动机的饮水鸟的巧妙设计感到惊叹，但这个奇物的出生却没有多少文字记载，只是在国外的一本科普读物上出现过。当然，此文不去对饮水鸟的由来进行考证，主要目的在于将其作为一种教学资源进行讨论。 2 饮水鸟涉及的物理学知识及在教学中的应用 饮水鸟不是永动机，但要清楚解释其工作原理，要涉及到能量守恒定律、重心与平衡、蒸发、气体压强、毛细现象等多方面的知识。下面进行具体分析。 2.1 热力学第一定律：能量守恒定律 看到饮水鸟，首先联想到的便是永动机，但它并不违背热力学第一定律，仍然遵守能量守恒。它的机械能来源于头部的水蒸发带走热量，从而导致内部气压的变化，产生重力势能。因此，它与空气进行着能量交换，可将它看成一个热机。在讲解能量守恒定律时，引入饮水鸟来讨论永动机，不仅可以提高学生的学习兴趣，还能为学生分析提供直观参考。而且还可以在能量的不同形式能量的转换与转移热机工作原理等方面作为一个实例进行分析。 2.2 气体压强与分子扩散现象 其次，产生的疑问便是：下球的液体为何会上升？当浸有水的上球在水分蒸发带走热量后，上球内部气体分子冷凝，分子数量减少，压强相对于下球要小，导致下球中液体沿玻璃管上升，致使重心变化。在此基础之上，还可拓展出除乙醚外，还可使用哪些液体还有什么办法使其中液体上升增加压强与本文由收集整理减小压强的方法有哪些等，一个饮水鸟启发学生对知识的综合利用，何乐而不为。 2.3 物态变化伴随的吸热、放热与蒸发 既然饮水鸟的动力源是上球的水分蒸发，可采取什么措施，使蒸发速度加快，从而使饮水鸟能频繁的饮水呢？在冬天与夏天一样吗？在教室里与太阳下一样吗？在通风处与背风处一样吗？将水替换为酒精等易挥发液体，变为饮酒鸟又有什么变化呢？等等关于蒸发快慢的条件，可通过此鸟得到验证。又有什么样的措施使饮水的频率降低呢？放在冰箱里还能动吗？要饮水需要与外界环境达到什么条件？等等一系列的问题，都可以从它而来，让学生体验探究的乐趣。 2.4 重心、重力和力矩 当饮水鸟内部的液体上升，重心的位置上移，打破平衡；当液体回流，重心下移。从而直观展示出重心与物质的质量分布的关系。假如将鸟身上的固定点位置改变会怎样？是否会出现俯身饮水后就不再抬头？要制作这样的一只饮水鸟，还要考虑些什么？甚至还可将重心的确定重力的大小与方向杠杆力矩力的图示二力平衡的条件等一系列物理知识穿插其中，作为章节知识复习的引线，让复习课不再枯燥。 2.5 毛细现象 观看饮水鸟时，是否会产生这样的疑问：饮水鸟的头部为何用棉布代替羽毛呢？为何嘴壳饮水，却是满头淋漓，这便涉及到毛细现象。当嘴壳饮水，水便沿棉线浸入头部棉布，一方面增大了蒸发的面积，提供了充足动力，另一方面源源不断的水分供应，保持了饮水鸟的永动。这是毛细作用在生活中应用的典型事例。 3 由饮水鸟而来的思考 3.1 发挥玩具的教育功能，改变传统教学模式 科学玩具成千上万，涉及各个方面的科学知识，作为自然学科的教师，有意识地将科学玩具、游戏融入到自然学科教学当中，不仅可以增加教学的趣味性，激发学生学习的兴趣，还可以启发学生对知识的综合应用，培养学生解决实际问题的能力。 新课程提倡探究式教学，发现身边的课程资源，开发低成本实验，使生活融入自然科学教学，使自然科学走进生活，能更好地促进教学模式的转变。 3.2 利用已有资源，开展科技制作 开展科技制作，可从模仿、改进开始。中小学科学、物理课倡导培养学生的动手、创新能力，科技制作是应大力提倡的方式之一。进行科技小制作、小发明的方法有：仿制已有物品，如制作简易望远镜；改进已有物品，如改进某个制作工艺，提高效率；已有物品的另类应用，如利用高脚杯制作乐器；创造新物品等。利用身边已有资源，开展科技制作课，是最便利的教学策略之一。