制作“水中芭蕾”

李得天

摘 要：物理学科具有自己的特色，它以实验为依据。假如在教学物理知识的同时，能够将实验贯穿课堂，对课堂教学必定增色不少。我在教学中制作了“水中芭蕾”，从制作过程、原理、教学等几方面进行分析，对学生理解热胀冷缩、反冲等知识具有一定教学价值。

关键词：水中芭蕾；物理教学；反冲原理

火箭是如何冲上云霄的呢？泄了气的气球为什么会乱窜呢？他们两者之间有什么关联？蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械，那么，又是如何将能量转换为机械能，从而使蒸汽机运转呢？为了使学生能了解蒸汽机的运动原理，更直观地观察和学习反冲原理，我在教学中制作了“水中芭蕾”，以提高学生对科学的兴趣。

一、“水中芭蕾”的主要结构

“水中芭蕾”主要由易拉罐、铜管、蜡烛、金属棒等制成。易拉罐用来制作蒸汽船的船身，易拉罐两边各锉对称的洞，可使铜管穿过。铜管中部弯曲成螺旋状，使其受热面积增大，且铜管导热性好。蜡烛被截成小段，放置于船内，点燃加热铜管。当向铜管内注满水，点燃蜡烛加热铜管螺旋部分，便能观察到蒸汽船旋转起来。

二、“水中芭蕾”的制作和使用方法

第一，拿一个铝饮料罐，从底部切1/3成一个小杯。

第二，用钳子将铝罐边缘尖锐部分卷曲，形成一个整洁光滑的边缘。

第三，拿一根蜡烛，将蜡烛截成适当长度，蜡烛应当能正好放进铝罐，并且没有露出。在铝罐底部中央滴上几滴蜡油，将蜡烛固定在铝罐底部。

第四，取一根较长的铜管，把中间部分弯曲成螺旋状，弯曲铜管末端来对应铝罐上的穿孔。将末端分别穿出小孔。

第五，弯曲铜管末端，使它们成直角，但是两端的直角弯成方向相反的直角。在铝罐内部粘上三根细金属棒用来支撑上方的盖子。金属棒要长出船身一截。

第六，取三块正方形玻璃，其中两块分割成相同大小的四块长方形，将四块长方形玻璃依次用玻璃胶接在正方形玻璃的四边，这样，一个正方形的玻璃水槽就完成了。

第七，为了增强观赏性，在盖子上粘上一个小娃娃，这样，在蒸汽船旋转时，娃娃恰似在跳舞。

三、“水中芭蕾”的性能及用途

“水中芭蕾”原材料易得，大部分可从生活废弃物中找到，如易拉罐、铜管、蜡烛、金属棒等；适合教师使用，向学生解释热胀冷缩原理以及反冲运动，有广泛的意义；可以运用热胀冷缩的原理以及反冲运动来解释身边的现象（火箭发射原理等）。

四、模型会旋转的原理分析

铜是很好的导热金属，铜管里灌满水，再把它放进水槽里，点燃蜡烛，火焰会把螺旋段铜管里的水加热成蒸汽，蒸汽体积膨胀，铜管内的压强大于外界大气压，蒸汽让铜管一后端里的水向外喷出；但是另一后端的铜管没有那么热，蒸汽在里面遇冷重新凝结成水，体积缩小，铜管内压强降低，外界大气压大于铜管内部压强，水槽里的水在大气压的作用下倒流回铜管。这些水的一部分重新被加热成蒸汽，再次推动另外的水向外喷出，产生推动力……循环往复，小船就能得到持续的动力，于是就动起来了。

那么蒸汽船为什么会旋转呢？这其实是利用到了反冲原理。反冲运动是根据动量守恒定律，如果一个静止或运动中的物体在内力的作用下分为两个部分，其中一部分向某个方向喷射运动，另一部分必然向相反的方向运动。如一个充满气的气球，我们将气球松开，会看到气球放气，在空中舞动。当气球放出一部分气体，气球则向放出气体的相反方向运动，气球持续放出气体，气球不断运动。蒸汽船模型中，后端的铜管里的水向后喷出，使蒸汽船向相反方向运动。这里将末端铜管弯成九十度角，使蒸汽船旋转起来。

热胀冷缩在生活的应用十分常见，温度计就是利用液体的热胀冷缩原理制成的。再如，当我们打乒乓球的时候，不小心把乒乓球踩瘪了，会用什么方法解决？对，泡热水。将踩瘪的乒乓球放入热水中，很快就可以看到它重新鼓起来。其原理也是应用了热胀冷缩。

反冲现象在生活中也十分常见。将气球吹大后，用手捏住吹口，然后突然放手，气球内气流喷出，气球因反冲而运动。可以看见气球运动的路线曲折多变。这有两个原因：一是吹大的气球各处厚薄不均匀，张力不均匀，使气球放气时各处收缩不均匀而摆动，从而运动方向不断变化；二是气球在收缩过程中形状不断变化，因而在运动过程中气球表面处的气流速度也在不断变化，根据流体力学原理，流速大，压强小，所以气球表面处受空气的压力也在不断变化，气球因此而摆动，运动方向也就不断变化。

火箭升空是作用力与反作用力的牛顿原理。利用燃料燃烧时产生的巨大推力，即反冲的原理，使一个物体从静止开始运动，必须有力作用在物体上，并且作用一定时间t。在物理学上，力F和时间t的乘积叫作力的冲量。要使火箭发射，就必须有冲量作用在火箭上。这种冲量是通过燃气的爆炸而产生的。

作为研究性学科，教师平时应充分利用身边的素材动手做教学器材，让学生感受生活，学习知识，做到学有所用，学有所得。