瓦特的蒸汽机

1. 说出瓦特改了什么：让蒸汽到另一只容器里去冷凝，汽缸一直热，冷凝器一直冷，做同样的功，烧的煤不到原来的一半。
2. 解释是什么推着活塞走：一侧是只比大气略强的蒸汽，另一侧是冷凝器造出的近乎真空。
3. 描述飞球调速器怎样自己控制快慢，以及它为什么不能把转速保持得一丝不变。

一节课的开头或结尾，老师投影、讲解。

1. 0–3 分钟

   投影「冷与热之间」：纽科门机每一下都把汽缸浇冷，再重新焐热。问：煤浪费在哪里？

   第 01 章冷与热之间→
2. 3–6 分钟

   「另一只容器」：冷凝器泡在冷水里，一直是冷的；汽缸裹着蒸汽夹套，一直是热的。

   第 02 章另一只容器→
3. 6–9 分钟

   「一推一送」：剖开的汽缸里，暖色是刚进来的蒸汽，冷色是被冷凝器抽空的一侧。

   第 03 章一推一送→
4. 9–13 分钟

   「飞球调速器」：章节里的按钮写着「停掉全部研磨机」或「接上全部研磨机」。全部停掉，看飞球张开、节流阀掩小；再按一次全部接上，看飞球落下、阀门打开。

   第 06 章飞球调速器→
5. 13–15 分钟

   「它改变了什么」：工厂从此不必傍河；“瓦特”成了功率的单位。

   第 09 章它改变了什么→

一整节课，留出学生动手和讨论的时间。

1. 0–4 分钟

   先问：蒸汽机的力气是从哪里来的？再投影「冷与热之间」，看缸壁一冷一热。

   第 01 章冷与热之间→
2. 4–9 分钟

   「另一只容器」：1765 年 5 月，瓦特走过格拉斯哥绿地时想通了这件事。请学生说出冷凝器和汽缸各自为什么要一直冷、一直热。

   第 02 章另一只容器→
3. 9–14 分钟

   「一推一送」：活塞两面轮流受力。强调瓦特的蒸汽只比大气略强，推力很大一部分来自真空。

   第 03 章一推一送→
4. 14–18 分钟

   「弧里取直」：横梁的端点走圆弧，活塞杆却要走直线。看粗线和细线的差别。

   第 04 章弧里取直→
5. 18–22 分钟

   「太阳和行星」：行星绕一周，太阳和飞轮转两圈。请学生数一数。

   第 05 章太阳和行星→
6. 22–28 分钟

   「飞球调速器」：用章节里的按钮停掉、再接上全部研磨机，看飞球和阀门怎样动。

   第 06 章飞球调速器→
7. 28–36 分钟

   动手：照下面的步骤，比较有调速器和没有调速器时转速怎样变化。

   第 10 章手柄在此→
8. 36–40 分钟

   「它改变了什么」：到 1800 年共造了 451 台；1 马力约合 745.7 瓦，这台机器额定 10 马力。

   第 09 章它改变了什么→

1. 纽科门的蒸汽机为什么费煤？

   好的回答每一冲程都往汽缸里喷冷水。冷水把蒸汽凝结了，也把缸壁浇凉了；下一股蒸汽进来，得先把铁重新焐热，大半还没做功就在冷铁上化成了水。

2. 瓦特的冷凝器为什么能省煤？

   好的回答蒸汽流到另一只泡在冷水里的容器里冷凝，汽缸裹着蒸汽夹套一直是热的，不用每一下都重新加热。做同样的功，烧的煤不到纽科门机的一半。

3. 推着活塞走的，是高压蒸汽吗？

   好的回答不是。瓦特的蒸汽只比大气略强一点，活塞另一侧通向冷凝器，近乎真空。推动活塞的是两侧这一点压力之差，很大一部分来自真空。

4. 研磨机一下子全停了。有调速器的机器会怎样？没有调速器呢？

   好的回答有调速器：机器转快，飞球张开，把节流阀掩小，机器稳在比原来稍快一点的转速上：阀门要掩得更小，飞球就得张得更开，而飞球只有转得更快才张得开。没有调速器：负荷一轻，机器就越转越快，没有东西拦住它。

5. 旧机器用链条挂活塞杆，瓦特为什么要换成平行运动？

   好的回答活塞既要推又要拉，链条只能拉不能推。横梁的端点走的是圆弧，活塞杆却必须笔直进出汽缸；平行运动让活塞杆顶端在四英尺的行程里离直线不到一厘米。

摘掉调速器会怎样？

1. 翻到最后一章「手柄在此」，把「蒸汽阀」推到「开」，「接上的研磨机」留在 43 台。等飞轮转稳，记下「飞轮转速」和「节流阀开度」。
2. 把「接上的研磨机」拉到 0。看飞球和节流阀，等转速稳下来，再记一次。
3. 把研磨机拉回 43 台，关掉「调速器」（节流阀全开，转速会略升）。等转稳后，再把研磨机拉到 0，等一两分钟，看「飞轮转速」怎样变。
4. 重新打开「调速器」，把研磨机来回调几次，看飞球张开、垂落。

留意有调速器时，负荷一轻，飞球张开，节流阀掩小，转速只比原来快一点，回不到原处；没有调速器时，转速一路往上冲，一两分钟后才在快一倍多的地方稳住。

• 误解蒸汽机是瓦特发明的。

  图版里看到的瓦特改进的是已经运转了半个世纪的纽科门机。

• 误解瓦特的机器靠高压蒸汽顶着活塞走。

  图版里看到的他的蒸汽只比大气压略高，推力很大一部分来自冷凝器造出的真空；高压蒸汽机要等到 1800 年前后的特里维西克等人。

• 误解飞球调速器能让转速一丝不变。

  图版里看到的负荷减轻后，机器会稳定在稍快一点的转速上，这是这种调速器的本性。

这幅图版可以配合下面这些章节。按新版教材列出：初中 2024–⁠25 年起的版本，高中 2019 年版；旧版的章节号不同。

• 人教版 · 物理 · 初中 八年级上册（2024秋）第三章 物态变化 · 第三节 汽化和液化
• 人教版 · 物理 · 初中 八年级下册（2025春）第九章 压强 · 第3节 大气压强
• 人教版 · 物理 · 初中 八年级下册（2025春）第十一章 功和机械能 · 第2节 功率
• 人教版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能的利用 · 第2节 热机
• 人教版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能的利用 · 第3节 热机的效率
• 人教版 · 物理 · 高中 必修第二册（2019）第六章 圆周运动 · 2 向心力
• 人教版 · 物理 · 高中 必修第二册（2019）第八章 机械能守恒定律 · 1 功与功率
• 沪科版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能与热机 · 第三节 热机
• 北师大版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十章 机械能、内能及其转化 · 第四节 热机
• 浙教版 · 科学 · 初中 八年级下册（2026春）第5章 控制系统与工程 · 第1节 自动控制系统

拓展

• 人教版 · 物理 · 初中 九年级全一册（2025秋）第十四章 内能的利用 · 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型
• 人教版 · 物理 · 高中 选择性必修第三册（2019）第三章 热力学定律 · 4 热力学第二定律

留意初中讲热机通常以汽油机为例；蒸汽机是外燃机，也是热机。图版的马力是瓦特定的英制马力，约 745.7 瓦；国内常说的公制马力约 735 瓦。

和图版相同。这一页的事实都出自图版和这些来源。

1. 伦敦科学博物馆藏品：博尔顿与瓦特转动式蒸汽机，1788（1861-46）
2. David Hulse：The Lap Engine（飞轮、木齿、橡木机架）
3. 悉尼动力博物馆：博尔顿与瓦特转动式蒸汽机（惠特布雷德机，1785）
4. 美国机械工程师学会：历史地标 111 号，博尔顿与瓦特转动式蒸汽机
5. 格拉斯哥大学：詹姆斯·瓦特与格拉斯哥大学
6. J. C. Maxwell (1868)：On Governors，英国皇家学会会刊
7. 美国国家标准与技术研究院 SP 811：马力与瓦特的换算
8. 国际计量局：国际单位制手册