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“饮水鸟”在中学物理教学中的应用探讨

范文

黄德兴

摘要：“饮水鸟”为中国古代的一种益智玩具，其巧妙的设计令人称奇。它的制作与工作原理涉及气体压强、能量守恒定律、物态变化、毛细现象、重心与力矩等诸多物理学知识，将其应用于中学物理教学中，不仅增加了教学的趣味性，也丰富了知识的应用。

关键词：饮水鸟；物理教学；科技制作

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）8-0034-2

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。

参考文献：

[1]王劲存.趣味玩具在物理课堂教学中的运用——以“饮水鸟”为例[J].物理教师，2011，32（3）：35.

[2]季倬.对“气压类科学玩具”课程化的研究——科学玩具物理教育功能开发与研究系列之四[J].物理通报，2009（10）：5—8.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

（栏目编辑李富强）

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