希倫蒸汽機模型的做法科學小發明小實驗教程
作者先前曾於國語日報科學教室中,提出一項創新的試管希倫蒸汽機模型,之後又將此創作寫入著作。2006年11月作者出席彰師大主辦的物理教育學術研討會,在會場見到有高中教師複製這項有趣的作品(還是以試管作爲容器),欣喜之餘,再予以最佳化並製成成品,於2006年11月30日受邀參加中等學校教師研習會時,和與會教師分享,獲得一致的肯定和青睞。由於再改良後之作品更實用、更安全,特撰寫此文以饗讀者,希望在更多的中學教室中能看到這個教具,帶給更多的學子歡笑和驚奇。
蒸汽機的發展歷經一段相當漫長的歲月,並非一開始就有活塞的概念。公元一世紀前後,現今埃及北部亞歷山卓市的數學家希倫,提出直接利用水蒸汽的反作用力來推動的始祖蒸汽機,稱爲希倫蒸汽機(Hero'ssteamengine),希臘話叫風動球(aeolipile)。一般認爲希倫蒸汽機是現代噴射引擎和蒸汽機的鼻祖。直到公元1698年,第一臺實際應用在工業生產的活塞蒸氣機方纔誕生,是英國軍事工程師薩弗裏發明的蒸汽抽水機。英國鍛工紐科門於1712年又發明一種更有效的蒸汽機,至此蒸汽機的發展有了第一次重大突破。瓦特於1764年受委託負責修理格拉斯哥大學一臺教學用紐科門蒸汽機模型,並在往後近二十年間進行一連串的改進,終於在1781年左右奠定往復式活塞蒸汽機的關鍵技術。
本文介紹原始希倫蒸汽機的簡化版本,以磁鐵吸住螺絲釘(或鐵釘,或鐵錐)作爲軸承;以燒瓶取代先前採用的試管。
所需的材料如下所列,尺寸可以視個別情況調整,不必墨守成規,但小巧玲瓏,更富美感,費時約一小時即可完工:
1.平底燒瓶(100mL)一個;
2.用來塞住燒瓶瓶口的橡膠(硅膠)塞子一個;
3.一根直徑約1mm,長約20公分的銅絲或鋁絲;
4.酒精燈;
5.內徑約3.5mm的鋁管兩根,各長約10cm;
6.長約4cm的螺絲釘一支;
7.銣鐵硼稀土磁鐵(強力磁鐵)二塊(直徑約2.0cm,高約0.4cm的圓柱體);
8.載玻片一塊;
9.白楊木條和木板若干(五金行有售)。
另外還需要用到鑽子、鋸子、鉗子、膠等家庭用工具。
注:原文爲繁體,本站發佈時未轉譯,但爲方便讀者閱讀,直接將繁體轉爲簡體。
[1][2][3]
1.首先,將塞子鑽兩個洞,再將兩根事先彎曲成羚羊角形狀的鋁管,分別插入塞子的洞中,塞子再塞住燒瓶瓶口。用銅絲捆綁燒瓶,此銅絲的另一端作成勾子的形狀(圖一)。
圖一:兩根羚羊角形狀的鋁管,分別插入塞子上的兩個洞中,塞子再塞住燒瓶瓶口。用銅絲捆綁燒瓶,另一端作成勾子。
2.取另一根銅絲,一端纏住螺絲釘,另一端也作成勾子。用白楊木製作一個門型支架,支架橫杆中間鑽一個直徑約10mm的圓洞,用膠帶把載玻片黏在圓洞上方,載玻片上方用雙面膠黏住銣鐵硼稀土磁鐵。將螺絲釘尖端伸入圓洞,頂着載玻片,銣鐵硼稀土磁鐵即吸住螺絲釘(圖二),綁在螺絲釘上的勾子,勾住捆綁在燒瓶上的銅絲,整個燒瓶於是懸空。
圖二:銣鐵硼稀土磁鐵隔着載玻片吸住螺絲釘,綁在螺絲釘上的勾子勾住捆綁在燒瓶上的銅絲。
1.從一側的鋁管注入半滿的水,通常強力磁鐵可以吸住裝滿水的燒瓶,但若磁力不足,可以先試一試磁鐵能吸住燒瓶的最大水量,再減半水量;
2.以酒精燈火焰直接加熱燒瓶底部,待水沸騰,水蒸汽由兩根鋁管噴出,燒瓶就開始不停轉動(圖三)。
圖三:酒精燈火焰直接加熱燒瓶底部,水蒸汽由兩根鋁管噴出,燒瓶就開始不停轉動(攝於2006年12月3日)。
1.由於水量不多,又因爲玻璃又硬又滑,重力又抵銷了一部分向上的磁力,所以螺絲釘和載玻片之間的摩擦力極小,燒瓶稍稍一受到力矩即可轉動,用不着高壓噴射蒸汽,也就免去了大火猛烈加熱帶來的危險。
2.以燒瓶作爲容器,一方面玻璃完全透明,內部水沸騰的情形一目瞭然,格外吸引學生注意和好奇,而整個希倫引擎的原理和運作的所有細節,不言自明,非常有趣。
3.另一方面,燒瓶以其對稱軸爲轉軸的轉動慣量,比試管以其對稱軸爲轉軸的轉動慣量大一些,旋轉之後角動量較大,因爲角動量守恆之故,旋轉時轉軸相當穩定,方向不變,不易搖晃,有助於持續加熱、從容觀察(賞)、以及實驗安全的提高。
4.試管制的希倫蒸汽機,旋轉之後角動量較小,也就不容易藉助角動量之守恆來維持轉軸穩定,因此比較容易搖晃。
5.再加上燒瓶重心比較低,若有搖晃,搖晃的頻率遠低於轉動的頻率,內部的水又有緩衝的效果(半滿時效果佳),搖晃難以持續,整具燒瓶希倫引擎很容易穩定轉動,又因爲燒瓶底部較寬,加熱區域大,蒸汽量也大,而且水沸騰時水蒸汽也不致於將液態的水一併帶出(圖四),所以旋轉的力矩非常平穩,不會忽大忽小,並可延長噴發水蒸汽的時間。
圖四:蒸汽量較試管制者大,造成雲霧蒸騰的效果。
在雲霧瀰漫中,看着一雙雙驚奇的眼神和一張張稚嫩的臉龐,保證“寵辱皆忘”,真的會有“不知老之將至”的感覺,值得老師們一試!
作爲希倫蒸汽引擎的現代桌上型模型,這項再改良的作品已臻成熟。只要鋁管不被堵塞而加熱密封在燒瓶中的水,此實驗十分安全。若再加裝防止燒瓶墜落的裝置(圖五);並改用攜帶型小瓦斯燈,可免除萬一打破酒精燈引起的大範圍閃燃,且火力較大,瓶底也不會累積碳黑;或把鋁管改成玻璃管,除了更顯玲瓏晶瑩之外,還可直接目視玻璃管是否暢通,安全性更高,甚至可以當成科學精品呢。
圖五:甲爲磁鐵,乙爲螺絲釘,丁爲一防墜卡盤,牢牢在螺絲釘上,丙爲固定在門型支架上的托架,其中有一孔,容螺絲釘穿過,一旦磁鐵吸不住螺絲釘,防墜卡盤被托架托住,燒瓶即不致於墜落。
責編:劉麗
(原載:《科學教育月刊》,第297期,2007年4月)
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