棉花糖机的制作及其研究.doc

感言 日常生活中经常看见经常吃到的棉花糖，原以为制作起来非常简单，等真正动手制作，才发现即便是棉花糖机，制作起来也非常不易。而这不断改进方案不断调试的过程，也使我们感受到了物理这门学科的魅力。棉花糖机的制作及其研究课题组长 高二16 沈汇涛 指导老师 盛宝骥组员 黄锃,徐翔宇,姚琪摘要 介绍了一种独自设计棉花糖机的制作方案与制作过程，探究出制作影响棉花糖质量的重要因素。关键词 棉花糖；棉花糖机；圆周运动The Making and the Study of Spun Sugar MachineGroup manager Shen Huitao Advisor Sheng BaojiGroup member Huang Zeng, Xu Xiangyu, Yao qiAbstract In this paper, a proposal of a kind of spun sugar machine is introduced, and the making steps are shown. Several factors which affect the quality of the spun sugar is explored.Key words squd sugar; squd sugar machine; circular motion0 引言高中物理 必修2的圆周运动一章，向我们介绍了日常生活中常见的棉花糖机的工作原理。这激发了我们对这台机器的研究兴趣与热情。棉花糖机的原理虽然简单，可是平时我们不容易见到棉花糖机的真正构造和工作方式，网上对这一机器的介绍也有如商业机密一般透露甚少。这让我们有充分的空间发挥自己的才智与动手能力。经过市场调研，一串棉花糖的售价在23元左右，而那么一大串的棉花糖所需的白砂糖的数量是很少的，所以销售棉花糖是一项利润很高，尤其是在学校周围，拥有比较稳定的市场。所以探究棉花糖机得制作还具有一定商业价值。本文将介绍我们小组同学制作自己的棉花糖机的过程。1 方案设计棉花糖机的有两大部分动力部分和加热部分。动力部分我们提出了两种设计方案。第一种是以机械方式带动机器旋转，有点类似于缝纫机的传动方式；第二种是以电动电机的方式。可以看出，传动装置会使整个机器的体积臃肿，而且结构复杂不易操作，所以我们否定了第一种方式。而电动机的方式，我们又担心加热棉花糖所带来的高温会不会传递到电机中增加电机负荷，加速其老化。于是我们设计了第一个实验，在电机转轴上拧上螺丝，在螺丝边缘用火焰进行加热（如左图）。当螺丝烧至红热时，我们用手触碰电机外壁，发现温度并没有明显升高，于是采用电动电机方式初步认定是可行的。加热部分我们也提出了两种方案。第一种是采取电加热的方式；第二种是火焰加热。显然第一种方式有着很好的安全性。但是想要获得足够大的功率，必须用220V交流电进行加热，显然棉花糖机不可能只在室内运转，因而便携性大打折扣。另一方面，考虑到电池的内阻过大且铅蓄电池笨重不易携带等问题，我们否定了电加热的方案。而采取火焰加热应该用什么火焰源呢？我们对学校后门出售的棉花糖的小贩进行了采访，发现他的棉花糖机下方有一个小液化气罐。考虑到液化气罐成本较高（经过调研一罐液化气要将近100元人民币），而且液化气比较危险，操作不当可能会导致严重后果，我们放弃采用液化气进行加热。剩下的选择便是学校实验室有很多的酒精灯了。但是实验室酒精灯体积太大，于是我们自己设计了小体积的酒精灯。经过实际测试，这种酒精灯体积较小，便于携带，而且火焰与实验室酒精灯无异，但缺点是开口处（图中红圈标出）酒精易挥发，长久不使用便不易点着。我们也对燃料配比进行了实验。实验结果如表。综合成本，我们最终选择了酒精:水=7:3的燃料。酒精:水10:09:18:27:36:45:54:63:72:8燃烧时间/s6472777670615242难点燃火焰状况明亮好好好较好较好较暗较暗主要矛盾解决之后，剩下的设计便简单起来。我们选择铁架台+万能夹来固定动力装置，再用在电子市场购买的电线开关等连接电路。对于连接电机与容器，我们提出了两种方案。第一种是用螺丝螺母用机械方式进行连接；第二种是用AB胶进行粘连。考虑到AB胶耐热性不佳，并且我们所制作的棉花糖还要食用，在制作中不宜使用有毒有机物，故我们直接放弃了第二种方案。这样一个棉花糖机的设计方案便完成了。2 制作过程我们首先购买电机。功率是20W，额定电压12V。接下来便是盛装棉花糖的容器。综合考虑我们所用的电机的功率以及制作困难程度，我们借鉴了本班其他同学提供的方案采用糖盒制作容器。经过在各大超市中的调研、实验，我们初步选择了常春藤超市中一款水果糖的糖盒。它大小适中，盒盖与盒子贴合紧密，十分理想。接下来我们对糖盒进行加工。首先用锥子在底部打孔，大小与螺丝正好匹配。我们都知道，圆周运动时，如果转轴不在圆心处，那么转轴将受到很大的力，这不利于棉花糖机的稳定，这样将孔打在正中心处就非常重要。我们首先制作了一个和糖盒大小完全贴合的纸片，利用数学方法在白纸上找出圆心，再将这张白纸粘到糖盒上，对照圆心打孔。这样的孔就较准确地位于圆心处了。在底部打孔之后，便要在容器周围打孔。这个孔的大小十分重要。要尽可能小。因为如果过大，棉花糖机甩出的就是糖粒而非糖丝。我们小心翼翼地用钉子打上了很细很细的孔（如下图）。经过测试，在容器中装满水，水都无法从孔中渗出（表面张力大于压力）。（糖盒侧面打出的小孔）（去盖的糖盒内部及底部）（照片为写报告期间拍摄，此时该容器由于时间较久损坏严重）处理完糖盒，我们对电机的连接器进行了扭丝处理，使其可与螺丝相匹配。这样棉花糖机的核心部分便制作完成。再将棉花糖机固定到铁架台上，连接以电线、开关，棉花糖机的制作便大功告成了。 （容器向上接法） （容器向下接法）3 运转与调试以上两张图给出了棉花糖机的两种连接模式。一种是容器向上，另一种是容器向下（如上图）。容器向下的优点是加热方便，缺点是由于铁架台的阻挡，棒子不能环绕机器进行运动；容器向下上的优点就是棒子可以围绕机器完整绕圈运动，缺点就是加热装置与电机在一起，拥挤且不方便。由于我们采用的是通过螺丝将棉花糖机与电机连接，所以可以很方便的通过改变螺丝方向来改变连接模式。对于两种方法我们都进行了大量测试，各有优劣。我们在运行中首先发现的问题是炽热的糖粒。无论是否有糖丝出现，糖粒都是不可避免的，而这些糖粒温度很高（白砂糖熔点186），和操作者直接接触会造成很大伤害。而且糖粒冷却后难以洗去。实验中我们采取阻挡的方式临时解决这一问题。在成品机中，我们打算用铁皮围成一圈起到保护作用。第二个问题便是温度问题。由于我们放弃了高温的液化气而采用酒精灯，加热效果自然大打折扣。大部分时候需要加热很长时间才能喷出棉花糖。在冬天室外进行实验的话甚至无论经过多久都无法产出棉花糖。我们分析，酒精灯火焰温度本来就不高，再加上棉花糖机工作是不断旋转，加热效果不好，而且散热速度快，如果环境温度低，热交换迅速，能达到的极限温度就不高。我们提出了以下几种方案解决这个问题：降低转速；增加加热装置数量；重新选择加热方式。实验表明，降低转速会大大降低棉花糖产量，得不偿失，故不可行。增加加热装置数量，一是操作麻烦，只适用于容器向下的连接方式；二是如果同时点燃三、四盏酒精灯，成本过高，故也不可行。看来我们不得不放弃酒精灯加热。那采用什么燃料呢？经过不断询问同学、老师，上网查阅资料，我们找到了一种性价比很高的加热装置：它价格便宜、耐用且火焰稳定，热量高。使用这种燃料温度不够的问题得以显著改善。老师向我们提出了棉花糖机应能连续产出棉花糖。对我们来说这便要求棉花糖机能方便地不断加入白砂糖。我们于是在容器的盖子上开了一个大孔（如右图）。只要技术娴熟，可以在棉花糖机运行过程中加入棉花糖。最后便是一些小问题。向容器中装入白砂糖的过程其实非常重要，一定要尽可能均匀。如果开始的时候糖放的不均匀，机器高速运转的时候就会产生很大的离心力，整个机身会抖动的十分厉害，发出很大的噪声。这时必须关闭机器，重新调整白砂糖的分布。4 质量探究剩下摆在我们面前的便是这样一个问题：怎样才能高产量地制作出棉花糖？经过前一阶段的调试，我们在实验中发现棉花糖的产量主要取决于以下几个因素：棉花糖容器壁上孔的大小；糖的品种；加热温度；机器转速。因素由于在制作之初便已经决定，我们难以进行测试。不过值得一提的是，在经过大量实验之后，我们发现产量明显下降。这是因为一些小孔可能已经被凝固的糖所堵住，对容器进行清洗后情况得到明显改观。因素我们进行了一些定性实验，选用的主要是砂糖还有绵糖。效果上白砂糖产出的糖丝更多更长一些。另一方面，我们查阅了有关资料，绵糖在生产过程中喷入了2.5%左右的转化糖浆，且含水分多，这不利于棉花糖的制作。所以我们接下来的实验都选用的是白砂糖。因素在运转与调试过程中便已经积累了大量经验。根据观察，白砂糖在加热时，首先熔化成无色透明液体，刚刚熔化时黏度最低，容易流动。随着温度的进一步升高，液体的黏度升高，并且开始泛黄，出现焦糊味，很快变成红色的焦糖。而焦糖不能流动，也就不能制作棉花糖。所以在制作过程中要避免焦糖的出现。这就要求提高转速，使加热更为均匀。所以总结一下，制作过程中温度既不能低，也不能过高。针对因素我们进行了以下半定量实验。将棉花糖机的电路中串联一变阻器。通过控制电机中的电流从而控制功率与转速。观察同一加热条件下不同转速的棉花糖产量。实验结果如下表：电阻/0246810功率/W20.012.28.36.04.53.5产量465321（产量6为最好 1为最差）之所以会出现这样的情况，我们认为转速对产量的影响是两方面的。一方面，随着转速增加，甩出的糖丝也就更细，棉花糖的产量也就高。另一方面，随着转速的增加，加热效率会降低，从而引起温度上升不够，造成产量下降。综合这两个因素，便出现了上表所显示的实验结果。为了验证以上推断，我们又进行了以下两个半定量实验。首先是探究转速对加热效果的影响。我们还是使用上面实验的装置，将容器换成无孔容器，通过控制电机中的电流从而控制转速。观察不同转速下棉花糖熔化的时间。实验结果如下表：电阻/0246810功率/W20.012.28.36.04.53.50时间/s1341301205931157实验结果呈现出简单的正相关关系，这确实印证了我们上面的推测：随着转速的增加，加热效率会降低。造成这一现象的原因，我们推测是转速快导致火焰不稳定以及散热速率高导致。为了探究是否是火焰造成的影响，我们原本打算设计实验改用电加热重复以上实验，但是出于时间和技术问题我们没能完成这一实验。接着探究转速对甩出糖丝的影响。我们改用粘度同样比较大的蜂蜜进行实验。使用上面去掉加热装置的装置进行实验。实验结果是随着转速的增加，甩出的蜂蜜越多越细越远，但是当转速达到一定值后便不再改变甚至甩出的蜂蜜会更少。这一现象是我们没有预料到的，它引起了我们的注意。根据向心力公式，转速增加，糖浆受到的向心力增加，再根据牛顿第二定律F=ma，可以获得更大的速度，原本应该呈现出正相关的实验结果为什么会出现反常？我们推测是容器形状导致的。 如左图，我们所打的孔分布在容器下方（B）。当转速提高，糖浆会沿着容器壁上升到达没有开孔的A处。这些糖浆自然无法被甩出，从而导致了糖浆浪费。我们将A处也打上孔后重复实验，发现反常现象消失。5 结语经过前前后后近三个月的时间，从设计到制作改进，我们终于得到了具有一定实用价值的棉花糖机，但是我们还是没能做出原计划中的可以量产的机器。总结这次棉花糖机的制作，有得也有失。得：以实验为基础的分析问题的方法：我们提出多种方案并且在实验的基础上用理论论证，独立发现问题、解决问题，真正做到了“研究性”学习； 理论联系实际的方法：我们的实验并不是盲目的实验，在基于圆周运动公式、牛顿第二定律、液体的表面张力公式等的基础上设计实验，寻找优化的结果； 合作解决问题：这次研究，分工明确，每个人都尽其所长，大家形成一个团队，团结一致，合作的能力得到了增强； 立足生活取材废物：最初的加热装置、糖盒、电机，都是取材于生活中常见的物品，并没有为此购买专门设备装置。做到了绿色环保、取材生活； 动手操作能力：现在高中生自由发挥的实验以及自己设计制作的机会很少，我们的制作使我们认识到手工操作的不易，提升了手工操作的能力； 对物理学科的再认识：通过实践我们知道物理不仅仅是公式、做题、考试，如何把抽象的