diy制作希伦蒸汽机的方法.docVIP

另一种制作希伦蒸汽机的方法 作者先前曾于国语日报科学教室中，提出一项创新的试管希伦蒸汽机模型，之后又将此创作写入著作。2006 年11月作者出席彰师大主办的物理教育学术研讨会，在会场见到有高中教师复制这项有趣的作品（还是以试管作为容器），欣喜之余，再予以最佳化并制成成品， 于2006年11月30日受邀参加中等学校教师研习会时，和与会教师分享，获得一致的肯定和青睐。由于再改良后之作品更实用、更安全，特撰写此文以飨读 者，希望在更多的中学教室中能看到这个教具，带给更多的学子欢笑和惊奇。蒸汽机的发展历经一段相当漫长的岁月，并非一开始就有活塞的概念。公元一世纪前后，现今埃及北部亚历山卓市的数学家希伦，提出直接利用水蒸汽的反作用力来 推动的始祖蒸汽机，称为希伦蒸汽机(Heros steam engine)，希腊话叫风动球(aeolipile)。一般认为希伦蒸汽机是现代喷射引擎和蒸汽机的鼻祖。直到公元1698 年，第一台实际应用在工业生产的活塞蒸气机方才诞生，是英国军事工程师萨弗里发明的蒸汽抽水机。英国锻工纽科门于1712 年又发明一种更有效的蒸汽机，至此蒸汽机的发展有了第一次重大突破。瓦特于1764 年受委托负责修理格拉斯哥大学一台教学用纽科门蒸汽机模型，并在往后近二十年间进行一连串的改进，终于在1781 年左右奠定往复式活塞蒸汽机的关键技术。一、器材本文介绍原始希伦蒸汽机的简化版本，以磁铁吸住螺丝钉（或铁钉，或铁锥）作为轴承；以烧瓶取代先前采用的试管。所需的材料如下所列，尺寸可以视个别情况调整，不必墨守成规，但小巧玲珑，更富美感，费时约一小时即可完工：1. 平底烧瓶(100 mL)一个；2. 用来塞住烧瓶瓶口的橡胶（硅胶）塞子一个；3. 一根直径约1 mm，长约20 公分的铜丝或铝丝；4. 酒精灯；5. 内径约3.5 mm 的铝管两根，各长约10cm；6. 长约4 cm 的螺丝钉一支；7. 铷铁硼稀土磁铁（强力磁铁）二块（直径约2.0 cm，高约0.4 cm 的圆柱体）；8. 载玻片一块；9. 白杨木条和木板若干（五金行有售）。另外还需要用到钻子、锯子、钳子、胶等家庭用工具。________________________________________二、制法1. 首先，将塞子钻两个洞，再将两根事先弯曲成羚羊角形状的铝管，分别插入塞子的洞中，塞子再塞住烧瓶瓶口。用铜丝捆绑烧瓶，此铜丝的另一端作成勾子的形状（图一）。??图一：两根羚羊角形状的铝管，分别插入塞子上的两个洞中，塞子再塞住烧瓶瓶口。用铜丝捆绑烧瓶，另一端作成勾子。2. 取另一根铜丝，一端缠住螺丝钉，另一端也作成勾子。用白杨木制作一个门型支架， 支架横杆中间钻一个直径约10mm的圆洞，用胶带把载玻片黏在圆洞上方，载玻片上方用双面胶黏住铷铁硼稀土磁铁。将螺丝钉尖端伸入圆洞，顶着载玻片，铷铁 硼稀土磁铁即吸住螺丝钉（图二），绑在螺丝钉上的勾子，勾住捆绑在烧瓶上的铜丝，整个烧瓶于是悬空。 图二：铷铁硼稀土磁铁隔着载玻片吸住螺丝钉，绑在螺丝钉上的勾子勾住捆绑在烧瓶上的铜丝。三、操作1. 从一侧的铝管注入半满的水，通常强力磁铁可以吸住装满水的烧瓶，但若磁力不足，可以先试一试磁铁能吸住烧瓶的最大水量，再减半水量；2. 以酒精灯火焰直接加热烧瓶底部，待水沸腾，水蒸汽由两根铝管喷出，烧瓶就开始不停转动（图三）。 ??图三：酒精灯火焰直接加热烧瓶底部，水蒸汽由两根铝管喷出，烧瓶就开始不停转动（摄于2006 年12 月3 日）。四、说明1. 由于水量不多，又因为玻璃又硬又滑，重力又抵销了一部分向上的磁力，所以螺丝钉和载玻片之间的摩擦力极小，烧瓶稍稍一受到力矩即可转动，用不着高压喷射蒸汽，也就免去了大火猛烈加热带来的危险。2. 以烧瓶作为容器， 一方面玻璃完全透明，内部水沸腾的情形一目了然，格外吸引学生注意和好奇，而整个希伦引擎的原理和运作的所有细节，不言自明，非常有趣。3. 另一方面，烧瓶以其对称轴为转轴的转动惯量，比试管以其对称轴为转轴的转动惯量大一些，旋转之后角动量较大，因为角动量守恒之故，旋转时转轴相当稳定，方向不变，不易摇晃，有助于持续加热、从容观察（赏）、以及实验安全的提高。4. 试管制的希伦蒸汽机，旋转之后角动量较小，也就不容易藉助角动量之守恒来维持转轴稳定，因此比较容易摇晃。5. 再加上烧瓶重心比较低，若有摇晃，摇晃的频率远低于转动的频率，内部的水又有缓冲的效果（半满时效果佳），摇晃难以持续，整具烧瓶希伦引擎很容易稳定转 动，又因为烧瓶底部较宽，加热区域大，蒸汽量也大，而且水沸腾时水蒸汽也不致于将液态的水一并带出（图四），所以旋转的力矩非常平稳，不会忽大忽小， 并可延长喷发水蒸汽的时间。 图四：蒸汽量较试管制者