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前言

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 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20061130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(Hero's 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 12 3

 

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:蒸汽量较试管制者大,造成云雾蒸腾的效果。

在云雾弥漫中,看着一双双惊奇的眼神和一张张稚嫩的脸庞,保证宠辱皆忘,真的会有不知老之将至的感觉,值得老师们一试!

作为希伦蒸汽引擎的现代桌上型模型,这项再改良的作品已臻成熟。只要铝管不被堵塞而加热密封在烧瓶中的水,此实验十分安全。若再加装防止烧瓶坠落的装置(图五);并改用携带型小瓦斯灯,可免除万一打破酒精灯引起的大范围闪燃,且火力较大,瓶底也不会累积碳黑;或把铝管改成玻璃管,除了更显玲珑晶莹之外,还可直接目视玻璃管是否畅通,安全性更高,甚至可以当成科学精品呢。 

 

图五:甲为磁铁,乙为螺丝钉,丁为一防坠卡盘,牢牢在螺丝钉上,丙为固定在门型支架上的托架,其中有一孔,容螺丝钉穿过,一旦磁铁吸不住螺丝钉,防坠卡盘被托架托住,烧瓶即不致于坠落。

 

 

 

 


 

 

 

注:原文为繁体,本站发布时未转译,但为方便读者阅读,直接将繁体转为简体。

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