做功改變內(nèi)能實(shí)驗(yàn)演示儀

江耀基,肖春燕，藍(lán)斗高

(1.安福中學(xué),江西 吉安 343200;2.城北學(xué)校,江西 吉安 343200; 3.高安市第四中學(xué),江西 宜春 330800)

1 教材實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

做功改變內(nèi)能是教材中的2個(gè)演示實(shí)驗(yàn)[1]，它既是本節(jié)教學(xué)中的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，為了突破該知識(shí)點(diǎn)，教材上安排了如圖1所示的2個(gè)實(shí)驗(yàn). 在圖1(a)中，把活塞迅速下壓，觀察到棉花燃燒，得出活塞壓縮空氣做功，使空氣內(nèi)能增大，溫度升高，達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn). 在圖1(b)中，向瓶?jī)?nèi)打氣，當(dāng)瓶塞跳出時(shí)，觀察到瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，說(shuō)明水蒸氣液化成小水珠，得出氣體膨脹對(duì)外做功，內(nèi)能減小，溫度降低. 由此可見(jiàn)，做功也可以改變物體的內(nèi)能[1].

(a) (b)圖1 教材中實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)在具體的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)都存在問(wèn)題.

圖1(a)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題：

1)向下壓縮空氣，有時(shí)看不到棉花燃燒，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯；

2)看不到棉花燃燒現(xiàn)象，無(wú)法說(shuō)明對(duì)物體做功，得不到內(nèi)能增大的實(shí)驗(yàn)結(jié)論；

3)如果使用不當(dāng)，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)儀器破裂，存在安全隱患.

圖1(b)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題：

1)塞子跳出時(shí)，有時(shí)看不到瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯；

2)塞子塞得太緊，塞子不容易沖出，要反復(fù)打氣，可能存在安全隱患；

3)燒瓶?jī)?nèi)溫度的變化無(wú)法直接體現(xiàn).

2 改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

2.1 利用數(shù)學(xué)溫度計(jì)和激光，提高現(xiàn)象的直觀性

教材中的2個(gè)實(shí)驗(yàn)，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明溫度的變化，如“棉花燃燒展示溫度升高”、“出現(xiàn)白霧展示溫度降低”. 這些現(xiàn)象的原理需要教師向?qū)W生解釋?zhuān)覍?shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn)無(wú)法展示溫度的數(shù)值變化. 為此，將該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)采用電子溫度計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)空氣的溫度，通過(guò)直接觀察電子溫度計(jì)屏上顯示的空氣溫度變化，說(shuō)明“溫度升高”或“溫度降低”實(shí)驗(yàn)結(jié)論. 另外，通過(guò)激光筆照射實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)空氣可見(jiàn)度的變化判斷是否出現(xiàn)白霧. 通過(guò)改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、直觀.

2.2 整合實(shí)驗(yàn)方案，增強(qiáng)裝置的實(shí)用性

教材中的2個(gè)實(shí)驗(yàn)，是相互獨(dú)立的，演示時(shí)需要分開(kāi)進(jìn)行，占用了教學(xué)時(shí)間. 為此，可將2個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合并，設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)演示儀，如圖2所示. 該演示儀由支架、大號(hào)注射器(200 mL)、激光筆、數(shù)字溫度計(jì)、感溫探頭(裝在活塞內(nèi))、卡口、孔塞(用細(xì)繩系在支架上)等組成. 其中注射器的針筒固定在支架可上下移動(dòng)的活動(dòng)橫桿上，數(shù)字溫度計(jì)、激光筆分別固定在支架上相應(yīng)的位置.

圖2 做功改變內(nèi)能實(shí)驗(yàn)演示儀

3 用演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1)在注射器內(nèi)加入少量的酒精(或水)，將活動(dòng)橫桿(針筒)向上移動(dòng)一段距離，同時(shí)把注射器的活塞往下拉與支架底座相接觸，在注射器嘴上套緊孔塞，這樣注射器內(nèi)就密封了一段空氣.

2)打開(kāi)數(shù)字溫度計(jì)，記下此時(shí)注射器內(nèi)密封空氣的初溫t0. 打開(kāi)激光筆，用雙手按住活動(dòng)橫桿的兩側(cè)，突然迅速向下用力壓縮注射器內(nèi)的密封空氣，直到活動(dòng)橫桿被兩側(cè)的卡口固定為止，觀察此時(shí)數(shù)字溫度計(jì)上顯示的末溫t. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)末溫t明顯高于初溫t0.

3)待數(shù)字溫度計(jì)上顯示的溫度下降一定溫度并穩(wěn)定后，用鑰匙手動(dòng)開(kāi)啟注射器嘴上的孔塞[如圖3(a)]，觀察到數(shù)字溫度計(jì)示數(shù)出現(xiàn)明顯下降，同時(shí)針筒內(nèi)出現(xiàn)明顯的紅光束，說(shuō)明針筒內(nèi)出現(xiàn)白霧[如圖3(b)].

(b)注射器內(nèi)產(chǎn)生了霧圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由步驟1)～2)可知，對(duì)物體(壓縮空氣)做功，內(nèi)能增大，溫度升高；由步驟3)可知，氣體膨脹對(duì)外做功，內(nèi)能減小，溫度降低.

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，利用數(shù)字溫度器和激光筆，使做功改變內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，提高了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性；通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的整合，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用性和可循環(huán)使用性；通過(guò)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，使眾多的、繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作步驟得以?xún)?yōu)化，確保了物理教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的成功率，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力，提升了學(xué)生的核心素養(yǎng).