趙亞軍 丁振瑞 丁文革 郝忠秀

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，很多理論建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程、熱力學(xué)第二定律以及能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律都是物理教學(xué)中重要的基礎(chǔ)理論.演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為物理教學(xué)的重要手段具有不可替代的作用.但由于受場(chǎng)地和儀器大小等條件的限制，在課堂上沒(méi)有合適的演示儀器對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這給學(xué)生對(duì)理論的理解帶來(lái)了一定的困難.

我們根據(jù)物理教學(xué)的實(shí)際需求，利用成本低廉的簡(jiǎn)易材料制作了小型熱機(jī)能量轉(zhuǎn)化演示儀，這套演示儀器可以方便的在課堂上使用，能夠直觀地演示多種物理現(xiàn)象.

1 演示儀的結(jié)構(gòu)與原理

熱機(jī)能量轉(zhuǎn)化演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示.整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置可分為三部分：熱源部分、熱機(jī)主體部分、發(fā)電裝置部分.

加熱裝置采用的是電加熱方式，用電源開(kāi)關(guān)可以方便的打開(kāi)和關(guān)閉熱源，對(duì)熱機(jī)進(jìn)行快速的加熱，加熱溫度的高低也能有效地控制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，從而方便的在課堂教學(xué)中的使用.

熱機(jī)主體采用了斯特林熱機(jī)的結(jié)構(gòu).斯特林熱機(jī)屬于外燃式往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)，是19世紀(jì)蘇格蘭人R·斯特林發(fā)明的.它與內(nèi)燃機(jī)的區(qū)別在于它是由外部熱源對(duì)封閉的氣體進(jìn)行加熱，氣體推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)并對(duì)外做功，因而可以直接利用多種形式的能源，比如固體燃料、氣體燃料、工廠余熱、地?zé)帷⑻?yáng)能等均可以驅(qū)動(dòng)這種熱機(jī).

熱機(jī)的結(jié)構(gòu)：吸熱鋁板、氣室壁、動(dòng)力活塞、動(dòng)力氣缸壁和散熱鋁板組成一個(gè)封閉的氣室，氣室內(nèi)有一定量的空氣.吸熱鋁板作為熱機(jī)的熱端，起到吸收熱量的作用；散熱鋁板作為熱機(jī)的冷端，起到散出余熱的作用.在氣室內(nèi)有一個(gè)移氣活塞，它的作用是移動(dòng)氣室內(nèi)氣體，使氣體在冷熱兩端之間來(lái)回流動(dòng).

1.底座 2.加熱器保溫層 3.電加熱絲 4.吸熱鋁板 5.氣室壁 6.導(dǎo)線 7.線圈 8.磁鐵 9.飛輪 10.支架 11.軸承 12.曲軸 13.動(dòng)力活塞連桿 14.動(dòng)力活塞 15.動(dòng)力氣缸壁 16.移氣活塞連桿 17.發(fā)光二極管 18.移氣活塞 19.散熱鋁板 20.氣室內(nèi)封閉的空氣

圖1 熱機(jī)能量轉(zhuǎn)化演示儀的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)移氣活塞處在氣室內(nèi)的上半部分時(shí)，氣室內(nèi)的空氣大部分被排擠到氣室的下半部分.由于熱源的加熱，氣體吸熱后體積膨脹，從而推動(dòng)動(dòng)力活塞對(duì)外界做功.與此相反，如果移氣活塞處在氣室的下半部分，氣室內(nèi)的空氣大部分被排擠到氣室的上半部分.由于散熱鋁板的冷卻作用，氣體放熱后體積收縮，拉動(dòng)動(dòng)力活塞對(duì)外界做功.以上兩種工作狀態(tài)如圖2所示.

圖2 移氣活塞的作用

動(dòng)力活塞通過(guò)連桿與穿過(guò)支架的曲軸相連，這樣就可以把動(dòng)力活塞的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)動(dòng).曲軸的中部也通過(guò)連桿與移氣活塞相連，從而輸出動(dòng)力的一部分將帶動(dòng)移氣活塞上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前面所提到的移氣活塞對(duì)氣室內(nèi)空氣的轉(zhuǎn)移作用.

連接移氣活塞的曲軸部位與連接動(dòng)力活塞的曲軸部位必須呈一個(gè)固定的角度差，一般情況這個(gè)角度為90°，如圖3所示.這樣的連接方式可以讓動(dòng)力活塞對(duì)曲軸產(chǎn)生最大的驅(qū)動(dòng)力矩.

圖3 曲軸結(jié)構(gòu)示意圖

為了能讓熱機(jī)持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)下去,還必須在曲軸上增加慣性裝置.我們?cè)谘菔緝x曲軸的兩端設(shè)置了兩個(gè)飛輪，并且在每個(gè)飛輪的邊緣上分別固定了六對(duì)扁圓形的強(qiáng)磁鐵.如圖4所示，磁鐵可以用兩兩對(duì)吸的方法附著在飛輪圓盤的邊緣上，這樣可以方便的增減磁鐵的數(shù)量和調(diào)整磁鐵的位置.

圖4 飛輪上磁鐵的分布

在飛輪上放置的磁鐵起到了三種作用：

(1)增加了飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使飛輪更容易帶動(dòng)曲軸持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去；

(2)調(diào)整磁鐵的位置分布，可以使整個(gè)曲軸飛輪系統(tǒng)的重心處在轉(zhuǎn)動(dòng)軸線上，磁鐵起到了配重的作用，整個(gè)系統(tǒng)能夠更加平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)；

(3)飛輪帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)提供了變化的磁場(chǎng)，因此運(yùn)動(dòng)的磁鐵又成為發(fā)電裝置中的重要組成部分.

發(fā)電裝置利用了電磁感應(yīng)的原理，兩個(gè)感應(yīng)線圈與紅色和藍(lán)色兩個(gè)發(fā)光二極管用導(dǎo)線相連組成一個(gè)閉合電路.由于發(fā)光二極管具有單向?qū)щ娦?，為了加?qiáng)演示效果，可以采用圖5所示方式對(duì)電路進(jìn)行連接.

圖5 發(fā)電裝置電路示意圖

當(dāng)飛輪帶動(dòng)磁鐵接近線圈時(shí)，根據(jù)電路可知紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光；當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離線圈時(shí)，藍(lán)色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光.因此當(dāng)磁鐵依次經(jīng)過(guò)線圈旁邊時(shí)，紅藍(lán)兩個(gè)發(fā)光二極管將會(huì)交替閃爍發(fā)光.

2 演示儀的材料與制作

熱機(jī)氣室下端的吸熱鋁板和上端的散熱鋁板是用1 mm厚的鋁板經(jīng)過(guò)切割、鉆孔加工而成.氣室側(cè)壁的材料是一段外徑為12 cm的有機(jī)玻璃圓管.把有機(jī)玻璃管夾在兩片鋁板中間用螺絲加固并在接縫處打硅膠進(jìn)行密封，這樣就形成一個(gè)圓柱形的氣室空間.移氣活塞用聚苯乙烯泡沫板材料制成，它具有重量輕、絕熱性好的特性，要在氣室封閉之前將移氣活塞放置在氣室內(nèi).

考慮到動(dòng)力活塞和氣缸要滿足氣密性和低摩擦阻力的要求,我們截取一段的玻璃注射器來(lái)制作.為了將活塞的摩擦阻力降到最低,還要在活塞上涂上石墨粉末, 石墨可以用8B鉛筆芯代替.將制作好的動(dòng)力氣缸用硅膠粘接在散熱鋁板的圓孔處與氣室相連.

曲軸和連桿采用自行車輻條加工而成.曲軸支架用3 mm厚的有機(jī)玻璃板制成，使用角鋁和螺絲把支架固定在散熱鋁板的兩側(cè).在支架上安裝小型的滾珠軸承支撐曲軸，可以降低曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力.

飛輪采用廢舊光盤制成.光盤質(zhì)量分布均勻但厚度較薄，將多片光盤疊加粘接在一起能夠增加飛輪的厚度與質(zhì)量.小磁鐵最好是用釹鐵硼材料的強(qiáng)磁鐵，這樣能使發(fā)電現(xiàn)象更加明顯.

發(fā)電裝置的感應(yīng)線圈用細(xì)漆包線繞制而成，線圈分別固定在兩個(gè)軸承支架的外側(cè)，線圈中心位置要與飛輪下邊緣的磁鐵在同一高度上.用導(dǎo)線把線圈和發(fā)光二極管以圖5所示電路圖的方式連接在一起，發(fā)光二極管固定在散熱鋁板的邊緣上，以便于觀察.

加熱器是用電熱絲安裝在耐熱容器內(nèi)制成，也可以用100 W白熾燈來(lái)代替電熱絲作為熱源.給加熱器包裹石棉的絕熱保溫層可以充分利用熱源的熱以及避免燙傷操作者.

各部件組裝完成后，演示儀的外觀如圖6所示.

圖6 演示儀的外觀

3 操作與演示

在使用演示儀器之前,要仔細(xì)調(diào)整飛輪上磁鐵的位置分布,應(yīng)使磁鐵、飛輪、曲軸、連桿所構(gòu)成系統(tǒng)的重心大致在飛輪的軸線上，避免系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的偏重.

打開(kāi)電加熱源的電源開(kāi)關(guān)，加熱裝置開(kāi)始對(duì)熱機(jī)底部進(jìn)行加熱，大約經(jīng)過(guò)半分鐘左右的預(yù)熱時(shí)間,熱機(jī)的冷端和熱端達(dá)到一定的溫度差，此時(shí)用手輕輕撥動(dòng)飛輪,給它一個(gè)啟動(dòng)力，隨后可以觀察到飛輪在動(dòng)力活塞的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).飛輪帶動(dòng)其上的磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵經(jīng)過(guò)固定在支架上的線圈附近時(shí)發(fā)生電磁感應(yīng)，這時(shí)可以觀察到熱機(jī)上的紅色和藍(lán)色兩個(gè)發(fā)光二極管交替閃亮.

電加熱裝置開(kāi)啟一段時(shí)間后，當(dāng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)時(shí)，可以提前關(guān)閉電源，這時(shí)熱機(jī)還會(huì)利用熱源的余熱運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，注意不要讓加熱裝置過(guò)熱.如果有條件可在熱機(jī)的散熱鋁板上放置冰塊，用來(lái)增加熱機(jī)冷熱兩端的溫度差，使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯.

4 結(jié)束語(yǔ)

充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和簡(jiǎn)單的加工工具,選取低成本、便于加工的材料完成了演示儀的設(shè)計(jì)與制作.與市場(chǎng)上價(jià)格昂貴的熱機(jī)演示儀相比，不但節(jié)約了資金，還通過(guò)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新拓展了儀器的演示功能.

這臺(tái)熱機(jī)能量轉(zhuǎn)化演示儀使用方便、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，能夠?qū)ξ锢韺W(xué)中熱機(jī)循環(huán)過(guò)程、熱力學(xué)第二定律、能量的轉(zhuǎn)化等物理知識(shí)進(jìn)行形象的演示，它可以加深學(xué)生對(duì)物理理論的理解，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣.

參考文獻(xiàn)

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