“又快又稳”的“水冷却”居里点发动机——IYPT2018年赛题实验制作分析

崔卫国

(南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

近年全国大学生和中学生对PT实验研究的热情越来越高,2018年IYPT的17个实验又再次成为大学生和中学生的热点话题．实验涉及实验器材的制作或创作、实验的测量和模拟、实验的理论探讨.这些实践正是物理学科核心素养中“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”的综合体现．2018年的第12题引发了笔者实验创作的欲望,和学生一起制作了既简洁又便于精确测量的实验器材．

1 IYPT2018年第12题赛题

第31届青年物理学家竞赛赛题第12题.

译文：居里点发动机.制作一个可以绕轴自由转动的镍盘．在圆盘边缘放一块磁铁并加热它的一面,圆盘开始旋转．研究影响旋转的参数,并对圆盘的稳定运动进行优化设计．

笔者先做几个预实验,在实验中寻找影响转动快慢的物理量．

图1

2 预实验与镍盘转动分析

2.1 预实验

预实验1.取薄镍板制作一个半径为r=15 mm的薄圆片镍盘,将磁铁靠近并用酒精灯在B区域加热,如图1,观察现象．

现象:镍盘被加热后转动加快,然后减速,再加速,减速甚至出现反转;一段时间后镍盘受热至发红,不再转动．

图2

预实验2:用镍丝弯成水平圆环形镍盘,镍盘绕竖直轴O可以自由转动,如图2．保持使用相同磁铁且保持磁铁与镍盘的距离x0不变．在圆盘靠A的一侧固定磁铁,在镍盘上的B点用酒精灯加热．

现象:加热稍许,镍盘沿逆时针方向突然加速旋转,此后变慢,快慢交替,加热时间稍长后,转速变慢,甚至出现反转现象．

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2.2 转动分析

镍盘转动的原因:预实验中B处的镍受热超过居里点后突然失去磁性,磁铁左侧的对称点B′处的镍所受磁力F未消失,它的力矩M1大于轴O所受阻力f的力矩M2时,镍盘就发生逆时针转动．

镍盘转动不稳的原因:B处被加热达到居里点后镍盘立即转动,转速较快时,B左侧进入加热区的镍还未被加热到居里点,B右侧的镍尚未降温至居里点以下,此时磁动力矩变小,于是镍盘的转速变慢．当镍盘转速变慢后,B处的镍重新有较长时间被加热到居里点时,磁力矩恢复,转速又开始加快．

镍盘反转的原因:转速较快时,随加热时间增长,BB′连线上方及B′A之间的镍丝可能刚好全部处于居里点以上,而B左侧低于居里点温度的镍尚未进入加热区,此时BA受到的磁力矩成为阻碍逆时针转动的阻力矩,这就使得镍盘减速,甚至可能形成顺时针转动的镍盘．

3 制作“转得快”的镍盘

3.1 初探影响镍盘转速的参数

(1) 磁铁的磁性.磁性越强,镍丝获得的磁驱动力矩就越大;但磁性越强,因磁铁对镍盘的水平吸引力会增大,转轴阻力矩也增大．对结构固定的镍盘,磁铁磁性强弱(本实验中的磁铁为4片纽扣状半径12mm、厚2mm的钕铁硼强磁)会影响镍盘的转速．

(2) 磁铁与镍盘的距离.距离越近,磁力越强,但也会造成转轴阻力增大．距离较大可以用较强磁性的磁铁来弥补,但磁铁确定后,这个参数“距离”的值会极大影响镍盘的转速．

(3) 合适的加热位置.加热点越靠近磁铁,镍盘获得的磁驱动力越大,但过于靠近图2中A点时,又因力臂急剧减小产生不利于转动的影响．

(4) 效率高的冷源.希望镍盘磁力矩更大,这就需要让磁铁左前方B′侧的镍“立即”低于居里点358℃,即降温时间要极短.对B′侧的镍如何进行有效降温呢?这是制作快速转动镍盘的关键.

3.2 制作关键的突破

上述几个参数中,最难解决的是如何让镍丝在最应该降温的区域快速降温.

解决途径1:镍丝要“细”、“分”、“隔”.

直径越大即越粗的镍片或镍丝,不易传热也不易散热,会造成镍盘很不稳定的转动,甚至最终不再转动．直径越小即越细的镍丝能在加热时快速达到居里点以上,也能快速散热,故直径较小，即较细镍丝成为制作镍盘的首选．但过细的镍丝所受磁力会很小,甚至不能启动镍盘的转动．实验证明,直径0.4 mm左右的镍丝在加热时很容易达到居里点,也很容易低于居里点以下,也容易获得较大的磁力．

选择较细的镍丝后,在B处获得的高热能沿圆环形镍丝轻易传至磁铁的左前方,这是镍盘反转的主要原因．如何改进呢?“分”和“隔”的念头涌入大脑．将连续的镍丝切割成多段,彼此分隔,热就不易连续沿圆周传递了．思考后提出两种设想,如图3所示的“T型”镍盘和图4所示的辐射状“*型”镍盘．

经过试验检测,图3和图4的镍盘在用酒精灯加热时出现较快速的转动,但仍然出现间或减速和不稳定转动的现象,而且图3“T型”镍盘的最大转速明显小于图4“*型”镍盘的最大转速．于是,制作镍盘的期望形状暂定以图4辐射状“*型”镍盘为主要蓝图．

图3 “T型”镍盘

图4 “*型”镍盘

解决途径2:降温用“水冷却”.

在磁铁的左前方使用液氮降温效果比较好．但是液氮并不是生活中的常用物品,也不易随拿随用．如何用简单常规的方法解决这个难题呢?

笔者想到了水.水的最高温度是100℃,远远小于镍的居里点358℃.将棉纱布剪成圆形压在镍盘中心,加冷水使其完全潮湿,如图5所示．在镍丝远离圆心的外端加热超过居里点后,镍丝近圆心部分的内端始终处于低温冷水中,会迅速将外端的温度降低到居里点以下．制成的实物镍盘选用32根长为3.5 cm、直径为0.4 mm的镍丝,将镍丝插入两个镂空铝片之间的棉布夹层中,形成旋转最大半径为45 mm的镍盘,实验时将整个镍盘滴水至棉纱布湿润,如图6．

图5 水冷却镍丝示意图

图6 水冷却“*型”镍盘实物图

3.3 实验验证

实验:取用上述图6制作的镍盘,用冷水将棉布浸润至潮湿,调节磁铁与镍盘的距离至合适,然后用酒精灯在图5所示的B处加热．

现象:镍盘的转速呈现“又快又稳”的状态．

分析:当酒精灯在B处加热,B处镍丝失去磁性,镍盘立即逆时针转动．当高于居里点的镍丝离开加热区后,处于冷水浸泡的部分立即使得外侧高温镍丝降温,该镍丝转至B′处时温度早就降至居里点以下了．于是,镍盘能够短时间被加速至较高转速后形成稳定的转动．“又快又稳”的镍盘制作成功.

至此,这个简洁的镍盘可以为IYPT2018年第12题的实验探究提供服务了．

4 制作“转得更稳” 的镍盘

4.1 镍丝根数更多

半径45 mm的辐射状“*型”镍盘的镍丝根数较少时,就会出现不转(4根时),或者不稳定转动(8根和16根时),当镍丝的根数达到32根时就可观察到较为恒定转速了．这是什么原因呢?

仔细观察后发现,镍丝根数较少时,加热的对象就是1根镍丝,加热下一根需要一定的时间．当镍丝根数增多后,加热区域内就达到2根或3根以上的镍丝了．镍盘的磁力矩就获得了较为稳定的输入和输出．实验发现,用64根镍丝制作的镍盘用酒精灯加热时就可以获得相当稳定的转速了．能不能无限增加镍丝的根数呢?显然是不行的,因为无限根镍丝的镍盘就相当于图1所示的镍盘,这对如何迅速降温提出了更高的要求．因此,辐射状“*型”镍盘的镍丝根数也是有一个极限数目的． “根数”也是影响镍盘转速的重要参数．

4.2 热源用喷枪

如果换用蜡烛加热32根镍丝制作的镍盘,发现还是存在转速失稳的现象．这又是什么原因呢?原来蜡烛的加热效率远远低于酒精灯!蜡烛不能使得刚刚进入加热区的镍丝温度迅速超过居里点．可见,效率高的“热源”很重要.要让镍盘“转得稳”,就是需要让镍盘极短时间内获得连续、稳定的磁力矩．

酒精喷灯或液化气喷枪火力很大,而且加热区域扩大,加热效率大幅度提高,使得进入加热区的镍丝温度“立即”超过居里点．于是,镍盘在极短时间内能始终获得持续的磁驱动力．改用火力更大的喷枪进行加热后,镍盘不但转速加快,稳定转速也能确保了,稳定转速能达到21 rad/s．

因此,效率高的热源和具有更多镍丝的镍盘是保证镍盘稳定转动的必要条件．当然,利用了高效 “热源”就更加离不开有效的“冷源”了．

一个精致、能为精确测量服务的居里点发动机终于制作完成．这个可靠的实验器材为后续的实验探究和理论研讨提供了源源不断的支撑．总之,在制作镍盘的前后,师生一起动手,一起讨论和改进,取得了第一手的制作经验,增强了学生动手制作的实践能力,为改进和创新积累了最原始的实践经验.这是育人的好途径、好方式．希望PT实验能让更多的中学生喜欢,PT实验是能真正实现物理学科核心素养培养的重要载体．