背景技術(shù)

中學(xué)教師講解熱機(jī)原理時(shí)，只能借助實(shí)驗(yàn)室配備的內(nèi)燃機(jī)模型，其缺點(diǎn)是：模型不能實(shí)際應(yīng)用，即無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而無法讓學(xué)生實(shí)際感知熱機(jī)的動態(tài)工作流程，無法實(shí)際測量熱機(jī)的功率和效率，無法與現(xiàn)代測量儀器如傳感器連接；功能單一，無法進(jìn)行教學(xué)探究。

發(fā)明內(nèi)容

本項(xiàng)目發(fā)明了1種全透明無活塞的教學(xué)蒸汽機(jī)（原理見圖1，實(shí)物見圖2），包括蒸汽發(fā)生器、補(bǔ)水器、集水器、噴淋頭、工作室、供水器；其特征在于：蒸汽發(fā)生器、補(bǔ)水器、集水器、工作室通過導(dǎo)管依次連通并形成一個(gè)循環(huán)回路，這些導(dǎo)管上均設(shè)置有閥門。

具體實(shí)施方式

本項(xiàng)目發(fā)明的蒸汽機(jī)中，蒸汽發(fā)生器、補(bǔ)水器及工作室均為透明密閉容器，集水器及供水器均為透明敞口容器。集水器的位置高于工作室。蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水管伸入容器底部，出氣管設(shè)置在蒸汽發(fā)生器容器內(nèi)上部。補(bǔ)水器的進(jìn)水管口在容器內(nèi)中上部、出水管口伸入容器底部。工作室的蒸汽進(jìn)氣口設(shè)置在工作室內(nèi)上部，出水口及進(jìn)水口均設(shè)置在工作室內(nèi)下部。在工作室的正上方通過三通連接1個(gè)導(dǎo)管，在該導(dǎo)管上設(shè)置1個(gè)閥門并在出口處連通1個(gè)噴淋頭。工作室還外接1個(gè)帶閥門的擴(kuò)展接口。

調(diào)試時(shí)，首先在供水器、集水器中加入水，打開閥門8，讓水從噴淋頭中流出，水流經(jīng)工作室最終落入供水器中，關(guān)閉閥門8。打開閥門4、6、16、11，讓水流入補(bǔ)水器和蒸汽發(fā)生器中（若補(bǔ)水器中的水不能自動流入蒸汽發(fā)生器，可以先關(guān)閉閥門4，用熱源給補(bǔ)水器加熱，水就會流入蒸汽發(fā)生器中）。當(dāng)蒸汽發(fā)生器1中的水為其容積的1/3時(shí)，關(guān)閉閥門4、6，加熱蒸汽發(fā)生器，待蒸汽發(fā)生器中水沸騰，經(jīng)過閥門11的出水導(dǎo)管管口有蒸汽出現(xiàn)后，關(guān)閉閥門16、11，打開閥門8，讓水通過噴淋頭噴淋在工作室的正上方，打開閥門13，供水器中的水流入工作室中，關(guān)閉閥門8、13，調(diào)試完畢。

工作流程和工作原理：打開閥門16、11，工作室中的水，在高溫高壓水蒸氣的作用下，沿出水導(dǎo)管流入集水器中，關(guān)閉閥門16、11。打開閥門8，讓水通過噴淋頭噴淋在工作室的正上方，工作室中水蒸氣遇冷液化，工作室中氣壓減小，關(guān)閉閥門8，打開閥門13，供水器中的水流入工作室中，關(guān)閉閥門。再打開閥門16、11，如此循環(huán)往復(fù)，低處供水器中的水，不斷地被提到高處的集水器中，這一過程實(shí)現(xiàn)了熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)或改進(jìn)點(diǎn)

設(shè)備全透明，便于教師講解，利于學(xué)生觀察熱機(jī)的動態(tài)工作流程、理解物理知識的具體應(yīng)用方法；無活塞，結(jié)構(gòu)簡單摩擦小；水循環(huán)，環(huán)保無污染；可連續(xù)工作，能實(shí)際測量該熱機(jī)的功率和效率；可人為調(diào)節(jié)操作節(jié)奏，控制熱機(jī)的功率和效率；擴(kuò)展接口與傳感器結(jié)合，即時(shí)測量物理量數(shù)值，圖像由計(jì)算機(jī)自動處理，工作原理一目了然。

現(xiàn)實(shí)意義

學(xué)生可動手操作熱機(jī)，用傳感器即時(shí)測量物理量數(shù)值，實(shí)際測量熱機(jī)的功率、效率，感知熱機(jī)的動態(tài)工作流程，加深理解物理知識及其在實(shí)際中的應(yīng)用。本發(fā)明可用于學(xué)生探究熱膨脹及應(yīng)用，汽化及其影響因素、沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系，液化、液化條件及利用液化獲得低壓，大氣壓強(qiáng)的存在，虹吸現(xiàn)象，蒸汽機(jī)原理，提高熱機(jī)功率的措施、提高熱機(jī)效率的措施，熱力學(xué)第二定律，能量耗散，傳感器原理及應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容。

項(xiàng)目的使用情況

該設(shè)備已用于實(shí)際教學(xué)，用于講解和幫助學(xué)生探究熱膨脹的應(yīng)用、汽化及其影響因素、液化條件及液化獲得低壓的應(yīng)用、大氣壓強(qiáng)的存在、虹吸現(xiàn)象、熱機(jī)的共同特點(diǎn)、提高熱機(jī)功率與效率的方法和措施、熱力學(xué)第二定律、傳感器的原理及應(yīng)用等知識。

該設(shè)備引入傳感器，使數(shù)據(jù)的測量與處理變得十分簡單，學(xué)生可以將主要精力轉(zhuǎn)移到對物理知識的感知與理解、對物理過程的分析與構(gòu)建上來，實(shí)現(xiàn)了操作技能培養(yǎng)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效結(jié)合。

學(xué)生的反饋信息表明，在輔助理解物理知識和應(yīng)用，以及物理過程的分析與構(gòu)建方面，該設(shè)備有非常好的效果。

該項(xiàng)目獲得第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項(xiàng)目的主要內(nèi)容是制作了熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一套有趣裝置。該裝置原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理。作品教育性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。