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神奇的饮水鸟
更新日期:2012-4-8    作者:罗洁华    编辑:admin    点击量:10568

[学生论文]

我们对这一实验非常感兴趣,在定性实验前,我们学习了有关的准备知识,为使我们能够看到一些现象,教师把饮水鸟颈部的漆刮掉了部分,并告诉我们饮水鸟内部装有乙醚这种液体。我们一次又一次地观察,并相互讨论,观察得非常仔细。开始,我们猜想可能与小鸟低头“饮水”有关,是否是杯中的水吸到头上使重心前移?但为什么会抬头呢?抬头后没有饮水,为什么又低下头来呢?我们不能解释。后来,我们又发现管中有液柱上升的现象,因此假设由于液柱上升而使重心前移,于是提出图2的模型,但为什么液柱会上升呢?还是不能解释。


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我们又仔细的观察,发现小鸟的头部有一层湿润的材料覆盖(吸湿性好的纱布),它与液柱上升有什么联系呢?当我们积极思考而难以进展的时候,有的同学想到了一种伽里略气体温度计的模型,如图3(a)所示,当上方烧瓶外表的水份蒸发时,玻璃管中的液柱就会上升。由这个模型使我们得到启发,经过讨论,找到如图3(b)的模型。尾泡中有乙醚的液体,将头泡和尾泡隔开形成两个气室。乙醚具有易挥发的特点,头泡和尾泡的气室中充满乙醚的饱和汽:于是我们想到了液柱上升的原因可能是尾泡与头泡间的温度差。而温度差的形成又是由于头泡表面吸湿后水的蒸发造成的。这样就得到如下的逻辑:温度差——压强差——液柱上升——重心升高——倾倒。 


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而饮水鸟低头后为什么会抬起头来?偶然间,我们发现小鸟每低一次头在颈部玻璃管外都有一个气泡产生,气泡是从尾泡中来的,当我们用手握住尾泡时,发现液柱上升更快,气泡更容易产生,这些现象启发了我们,提出“当小鸟倾倒到一定程度时,尾泡中玻璃管口离开液面,气泡沿管上升,头泡中的气体压强变大,液体倒流回尾泡,从而使饮水鸟又抬起头来(图4(a))”的假设。它能够较满意地解释表观的现象。 


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整个过程解释如下:由于头泡表面水分的蒸发,使头泡温度降低,内部的饱和汽压减小,而尾泡内的汽压不变,因此管内的液柱上升。当整体的重心到达支点的前上方时,小鸟低头饮水。一旦低到使尾泡内的玻璃管口与其中的气室相通时,乙醚蒸气将沿管上升,于是管中的液体就会倒流入尾泡内,从而使小鸟又抬起头来。以后又不断地重复上述过程。

下一步就是如何用实验证实这种结构设想的正确性。通过讨论,我们提出了定性实验的方案,创造条件做一些实验,例如,将头部用电吹风吹干,使头泡与尾泡不产生温度差,小鸟也就动不起来;又如,容器中装水,使头泡温度不变,在尾泡附近,用小蜡烛加热,从而使头泡与尾泡间产生温度差,同样可以看到小鸟在不停的抬头和低头,于是我们的设想得到验证(图4(b))。当我们通过自己的发现揭示饮水鸟的奥秘时,我们的高兴是难以形容的。

当饮水鸟的结构模型和运动机理搞清以后,是否是永动机的问题也就不难解决。小鸟的运动最终要靠杯中水来提供,随着时间的推移,杯中水越来越少,加水,就必须要有外界做功,做功就要消耗其他形式的能量。另外,这个小鸟玩具也必须处于开放的状态,如果处在一个封闭的空间内,水汽达到饱和,也就不可能产生致冷现象,头泡和尾泡的温度趋于相同,运动也就不可能产生。这个实验也再一次地说明:永动机不可能!

 

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