“高见度”做功冲程模拟实验装置的创新制作

1 问题的提出

在初中物理教学中，“内燃机”是浙教版《科学》和华师大版《科学》九年级中“物体内能”的内容，它是燃料在机器的气缸里燃烧的热机，其工作过程主要是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。在使用浙教版教材的教学过程中，会遇到如下问题：(1) 在上这节课时，教师往往会拿着内燃机模型讲解，但对于做功冲程这个过程无法直接演示，以至于出现老师台上讲得“滔滔不绝”，台下学生听得“云里雾里”，实验教学效率低下[1]。(2) 因为做功冲程无法直接用实验演示，学生缺乏必要的感性认识，在理解做功冲程的过程中存在一定的认知障碍，出现知其然、却不知其所以然的现象。

图1

为了说明内燃机的工作原理，华师大版《科学》教材使用了如图1所示的装置，它使用一个厚壁的有机玻璃圆筒，筒内的两根放电针连接起电机，演示时把少量汽油喷入圆筒内，用软木塞塞住筒口，摇动起电机，看到软木塞冲出。但此实验存在以下问题：(1) 在中学实验室中，汽油这种燃料相对比较难找。(2) 该装置比较复杂，演示时必须与起电机连接。(3) 用如图1所示的装置演示做功冲程时，成功率相对较低。

2 实验装置的改进及制作

2.1 实验材料

矿泉水瓶、6分电线护套管、普通电子打火机、10mL注射器所带的针头、导线(里面有二根软铜线)、热熔胶枪、胶布、95%酒精等。

2.2 实验装置的制作

2.2.1 电子打火器的连接

取一只电子打火机，小心拆下里面的电子打火装置，找一根铜导线，把导线的两端分别接在打火装置的导线上和它的电池上，有条件的话最好焊接一下(如图2)，并用胶布包扎好，防止漏电(如图3)。

图2

图3

2.2.2 放电针的制作

先把导线缠绕在针头上，注意针头的最尖端最好背靠背，这样更有利于放电(如图4)，用胶布包扎，然后用老虎钳把针头弯成一定的角度，使两针头的距离大约在3～4mm左右(如图5)，连接好之后，先用电子打火装置试打一下，调整针头间距，使两者之间很容易产生电火花。

图4

图5

2.2.3 6分管中线的连接

把做好的电子打火器和放电针穿进6分管中，并在针头胶布处用热熔胶固定和密封(如图6)，注意防止放电针移动。在另一端打个结，也固定在6分管中，并用热熔胶固定(如图7)，把矿泉水瓶去盖后套在6分管上待用(如图8)。

图6

图7

图8

2.3 实验演示

演示前先取下矿泉水瓶，然后倒1ml左右的95%酒精，用力振荡，使酒精以蒸气的形式分布在瓶内，然后瓶口朝下，把多余的酒精倒掉(以防止酒精过多引起着火)。再将带放电针的6分管插入瓶中(注意放电针不要碰到矿泉水瓶底，否则不会产生火花)。手拿6分管，避开人和易碎物，按压电子打火装置，听到“嘭”的一声巨响，在矿泉水瓶口会看到一团白雾，同时矿泉水瓶迅速飞出近20米。

2.4 注意事项

此实验为爆炸实验，存在一定的危险，需教师亲自操作，特别关注安全！实验时要注意以下几点：(1) 在矿泉水瓶中倒入的酒精不能太多，演示时必须把多余的酒精倒掉，以防演示点火后着火。(2) 此装置威力巨大，演示时不能对人和易碎品。演示时由于会发出巨大的爆炸声，在演示前先提醒学生做好心理准备。(3) 矿泉水瓶可飞出近20米，最好在室外空旷处发射。

3 改进评估

这个创新实验的优点可概括如下：

(1) 实验材料简单，材料全都来源于生活，深得学生喜爱。首先，取材方便简单，大多都是废物的重新利用。特别是燃料的选择，采用95%酒精做燃料，基本每个学校的实验室中都有。再者，装置易于加工，成本低，但思维含量高、亲和力强。

(2) 实验可视度高，有效弥补了教材实验的不足。点火装置的使用，学生用肉眼便可看到二个针头间有火花冒出，让学生有一定的感性认识。同时爆炸所发出的声响和冲击力给学生足够的震撼，充分激发了学生学习物理的积极性和他们对内燃机的探究欲。通过此装置的演示，使学生充分了解做功冲程中气体点火膨胀对外做功的原理。

(3) 操作简单且成功率高，此装置操作简便且易控制，只要轻轻一按电子点火装置，实验就能进行。

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