首页 -> 2007年第12期
热胀冷缩实验探究与仪器研制
作者：贾 想
[关键词]热胀冷缩 钢球 铝合金圈 探究分析
用金属环和金属球演示热胀冷缩现象是物理学中的一个典型实验，即加热一个可以刚好穿过铁圈的铁球后，观察到铁球受热膨胀后不能穿过铁圈了。利用逆向思维技法，如果加热一个不能被金属球穿过的金属圈，会有什么现象产生呢？
通常情况下对金属圈加热时，可观察到其内径增大，会不会有内径变小的可能呢？
本文针对上述疑问进行了实验探究并对热胀冷缩的物理变化过程进行了分析。
(一)金属圈热胀冷缩物理变化过程分析
金属圈剖面图如图1、图2所示，小圆代表金属原子。从微观的物理变化过程分析上来看，当加热金属圈时，金属原子受热要向四周膨胀。若不考虑相邻金属原子的相互作用，各向金属原子膨胀的幅度都相等。从A-A1方向与B-B1方向的膨胀来看： A-A1方向的膨胀使金属丝变粗（即D增大），因而使金属圈直径d减小，设减小量为△d1；B-B1方向的膨胀使金属圈的内圈周长变大，因而使金属圈的直径d增大，设增大量为△d2，下面分三种情况讨论。
1.如图1所示，当金属圈的直径D>πd时，则A- A1方向分布的金属原子比B-B1方向分布的多。加热时，金属原子向A方向膨胀累积使内径减少为△d1，B-B1方向的膨胀使内径增大累积为△d2。则△d1>△d2。即金属圈内径的减少量大于其内径的增大量。故加热这种金属圈会使它的内径减小。
2.如图2所示，当金属圈的直径D<πd时，则B-B1方向分布的金属原子比A- A1方向分布的多，则加热时，△d1>△d2，即金属圈内径的减少量小于金属圈内径的增大量。所以在通常情况下观察加热金属圈之后，金属圈的内径增大。
3.当金属圈的直径D≈πd时，加热后会使得△d1≈△d2，即金属圈内径的减少量约等于金属圈内径的增大量，故加热这种金属圈时，金属圈的内径d几乎不变。
（二）实验探究
本实验采用膨胀系数较高的铝合金材料做金属圈，钢球作为金属球。
1.对于金属圈的直径D<πd的情况，设计了以下三种内径不同的铝合金圈做对比实验：
（1）铝合金圈内径略小于钢球的直径，使加热前钢球刚好不能穿过铝合金圈；
（2）铝合金圈内径等于钢球的直径，使加热前钢球刚好能穿过铝合金圈；
（3）铝合金圈内径略大于钢球的直径，使加热前铝合金圈刚好能让钢球穿过。
2.对于金属圈的直径D>πd的情况，设计成铝合金圈内径略大于钢球的直径，使加热前铝合金圈刚好能让钢球穿过，加热后钢球不能通过。
（三）仪器研制
根据热胀冷缩的物理变化过程分析和实验探究研制仪器，如图3所示，①细铜丝；②钢球；③铝合金圈；④酒精灯；⑤铁架台；⑥铝合金圈固定夹；⑦绕线轮，制作中注意钢球吊线要用耐火材料。
钢球的直径为r，对于金属圈的直径D<πd的情况，制作出三种不同内径的铝合金圈，其内径分别为R1、R2、R3。R1略小于r ， R2=r，R3略大于r；对于金属圈的直径D>πd的情况，铝合金圈内径制作成略大于钢球的直径，即R4等于或略大于r。
（四）演示仪的操作
1.在台架上装上1号铝合金圈。用绕线轮将钢球放下，可观察到钢球不能穿过圈，将球吊起。点燃酒精灯，加热铝合金圈1~2分钟后再立即放下钢球，可观察到钢球能自由穿过铝合金圈。更有趣的是，待铝合金圈冷却后，可观察到钢球无法穿过铝合金圈返回。
2.换上2号铝合金圈，放下钢球，恰能穿过铝合金圈。略给钢球加热后，可观察到钢球无法穿过铝合金圈返回到圈上面了。别着急待钢球冷却之后，球就能穿过圈返回了。
3.换上3号铝合金圈。放下钢球，能穿过铝合金圈。加热钢球1~2分钟后，发生现象基本与（2）中情况相似。
4.换上4号铝合金圈。放下钢球，能穿过铝合金圈。加热铝合金圈1~2分钟后，钢球又不能穿过了，铝圈冷却后钢球又能穿过，与理论分析一致，可得到与实验操作（1）中完全相反的实验现象。
此实验仪是用不同规格规格的金属环和金属球用，采用对比、举一反三和逆向思维等技法设计研制而成，对热胀冷缩现象进行了非常全面的演示。与此同时，从微观上对金属圈热胀冷缩物理变化过程的原理进行了分析。理论分析深入浅出、通俗易懂，实验研制具有创新性、新颖性和实用性，既能够激发学生的创新思维，又能培养学生分析问题的能力。
（本文是襄樊学院教研项目[JY0624]的研究成果，指导老师：胡安正）
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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