吳 敏

(江蘇省南京市人民中學(xué)，江蘇 南京 210005)

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理概念的建構(gòu)、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，有些現(xiàn)象不容易直接觀察，例如做功對(duì)物體內(nèi)能的改變、熱傳導(dǎo)的方向、滑動(dòng)變阻器接入電路的有效電阻、影響電流熱效應(yīng)的因素等。筆者以變色油墨作為轉(zhuǎn)換工具，讓熱無(wú)所遁形，從而幫助學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，自主建構(gòu)物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，提高物理教學(xué)效果。

1 變色油墨簡(jiǎn)介

變色油墨是借助外界的物性(溫度、光、壓力、磁性等)變化而變色的一種特種油墨，在各行各業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的變色油墨有熱敏油墨、光敏油墨、水敏油墨等，其中熱敏油墨會(huì)隨著溫度的變化而迅速改變顏色，不同顏色代表了著色物體的溫度。這種油墨由感溫變色顏料與其他助劑混合調(diào)制而成，溫變顏料從低溫到高溫，有多種溫度區(qū)間，根據(jù)溫度的不同，可分為低溫變色(10℃左右)、手感變色(30℃左右)、高溫變色(60℃左右)等。圖1為一款能變色的玻璃杯，杯身的圖案由感溫變色材料印制而成，在杯中沒(méi)有注入熱水時(shí)，圖案呈白色，向杯內(nèi)倒入熱水后，圖案就變成了彩色。

圖1

2 利用變色油墨顯示內(nèi)能大小的變化

在蘇科版教材九年級(jí)上冊(cè)“外界對(duì)物體做功”一節(jié)中，教材給出了圖2、圖3所示的實(shí)驗(yàn)：用手快速?gòu)澱坭F絲，感到鐵絲發(fā)燙；利用空氣壓縮引火儀，用力將活塞迅速下壓，使筒內(nèi)棉花燃燒，說(shuō)明外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增大，溫度升高。但在利用空氣壓縮引火儀做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，向下壓縮活塞時(shí)，筒內(nèi)棉花不一定能燃燒起來(lái)。為了讓學(xué)生看到棉花燃燒起來(lái)的現(xiàn)象，這時(shí)就需要進(jìn)行第二次甚至第三次實(shí)驗(yàn)，給課堂教學(xué)帶來(lái)了較大的影響。為此，我們可以利用注射器和變色油墨來(lái)替代這個(gè)實(shí)驗(yàn)，能達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖2

圖3

(1) 如圖4所示，將溫度升高時(shí)由綠色變?yōu)辄S色的變色油墨(以下簡(jiǎn)稱(chēng)綠色變色油墨)均勻涂在注射器的內(nèi)壁上。

圖4

圖5

(2) 封住注射器前端的小孔，并用力將活塞向前推，使活塞擠壓注射器內(nèi)的空氣。

(3) 觀察注射器內(nèi)壁油墨顏色的變化(圖5)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用力將活塞迅速下壓時(shí)，注射器內(nèi)壁上油墨的顏色由綠色變成了黃色，說(shuō)明活塞壓縮筒內(nèi)空氣，對(duì)空氣做功，空氣的溫度升高，內(nèi)能變大。

除此之外，還可以利用變色油墨直觀地說(shuō)明外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增大，溫度升高。

(1) 如圖6(a)所示，將上部涂有綠色變色油墨的金屬管固定在桌面上。

圖6

(2) 將一根布條繞過(guò)金屬管并來(lái)回拉動(dòng)，摩擦金屬管，觀察金屬管上部油墨的顏色變化。

實(shí)驗(yàn)表明：如圖6(b)所示，在來(lái)回拉動(dòng)布條摩擦金屬管2min后，金屬管下部的油墨由綠色變成了黃色；如圖6(c)所示，繼續(xù)快速拉動(dòng)布條，有更多的綠色油墨變成黃色。說(shuō)明布條摩擦金屬管做功后，金屬管的溫度不斷升高，內(nèi)能不斷增大。

3 利用變色油墨顯示熱傳遞的方向

改變物體內(nèi)能的方式有兩種：做功和熱傳遞，而熱傳遞有傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三種方式。在蘇科版教材中呈現(xiàn)了圖7所示的三幅圖片，旨在利用圖片說(shuō)明熱傳遞的三種方式。其中，熱傳導(dǎo)是通過(guò)放在熱湯碗里的湯勺來(lái)呈現(xiàn)的，手摸勺柄感覺(jué)勺柄很燙，說(shuō)明熱量是沿著勺體由高溫的勺頭傳遞到低溫的勺柄的。這個(gè)傳遞過(guò)程是學(xué)生看不到的，只能通過(guò)觸摸來(lái)感覺(jué)，萬(wàn)一熱湯的溫度很高，導(dǎo)致勺柄的溫度很高的話，人在觸摸勺柄時(shí)就很容易被燙傷。

圖7

基于這個(gè)原因，可以利用變色油墨來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，直觀地顯示在熱傳遞過(guò)程中熱量的傳導(dǎo)方向，實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1) 如圖8所示，將一根涂滿綠色變色油墨的銅棒固定在鐵架臺(tái)上；(2) 用酒精燈加熱銅棒的右端，觀察銅棒上油墨顏色的變化及其方向。

圖8

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)給銅棒的右端加熱時(shí)，銅棒的右端油墨的顏色由綠色逐漸變?yōu)辄S色，而且這種黃色沿著銅棒慢慢向左端蔓延。說(shuō)明熱量是沿著銅棒由高溫的右端向低溫的左端傳遞的，這樣的設(shè)計(jì)讓學(xué)生很直觀地觀察了熱傳導(dǎo)的過(guò)程，從而加深了學(xué)生對(duì)熱傳遞的理解。

4 利用變色油墨顯示滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻

在初中電學(xué)學(xué)習(xí)中，滑動(dòng)變阻器是一個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)器材，掌握滑動(dòng)變阻器的工作原理、滑動(dòng)變阻器接入電路的有效電阻是學(xué)好電學(xué)的基礎(chǔ)?；瑒?dòng)變阻器接入電路的有效電阻是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，為此，可以利用變色油墨設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，巧妙地突破這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1) 如圖9(a)所示，在滑動(dòng)變阻器的電阻線圈上均勻涂滿綠色變色油墨后，再跟小燈泡串聯(lián)接在電源兩端；(2) 閉合穩(wěn)壓電源的開(kāi)關(guān)，觀察到小燈泡發(fā)光，說(shuō)明電路中有電流通過(guò)；(3) 讓電路工作一段時(shí)間，觀察變阻器線圈上油墨顏色的變化；(4) 將滑片向右端適當(dāng)移動(dòng)一些，通電一段時(shí)間后觀察小燈泡亮度的變化及變阻器電阻線圈上油墨顏色的變化。

圖9

實(shí)驗(yàn)表明：如圖9(b)所示，通電一段時(shí)間后，滑動(dòng)變阻器滑片左邊的電阻線圈上的變色油墨由綠色變成了黃色；當(dāng)滑片向右移動(dòng)一些后，燈泡的亮度變暗，再通電一段時(shí)間，觀察到變阻器線圈上油墨變色范圍比原來(lái)更大。說(shuō)明通電后，產(chǎn)生電熱使這部分金屬絲的溫度升高，這樣就有力證明了這部分金屬絲中有電流通過(guò)，因此滑片左邊的電阻是變阻器接入電路的電阻，很直觀地讓學(xué)生明白了滑動(dòng)變阻器中接入電路部分的電阻，加深了對(duì)滑動(dòng)變阻器工作原理的理解，深化了學(xué)生對(duì)電流和電阻關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為后面進(jìn)一步學(xué)習(xí)歐姆定律、電功和電熱打下了很好的基礎(chǔ)。

5 利用變色油墨顯示影響電流熱效應(yīng)的因素

“探究影響電流熱效應(yīng)的因素”是初中物理教學(xué)中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)所用器材較多，有加熱煤油，觀察煤油溫度升高情況的溫度計(jì)；有加熱氣體，觀察U形管中液柱高低變化情況的壓強(qiáng)計(jì)等。我們也可以利用綠色變色油墨來(lái)探究影響電流熱效應(yīng)的因素，實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1) 在定值電阻R1(5Ω)和R2(20Ω)上均勻涂上綠色變色油墨、晾干；(2) 將R1接入電路，閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)變阻器使電路中的電流為0.1A，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到油墨變成黃色時(shí)停止計(jì)時(shí)，記下從開(kāi)始通電到油墨變色的時(shí)間t1；(3) 在上述電路中，調(diào)節(jié)變阻器使電路中的電流為0.2A，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到油墨變成黃色時(shí)停止計(jì)時(shí)，記下從開(kāi)始通電到油墨變色的時(shí)間t2；(4) 將電阻R1和R2串聯(lián)接入電路，閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)變阻器使電路中的電流為0.2A，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到油墨變成黃色時(shí)停止計(jì)時(shí)，分別測(cè)出電阻R1和R2從開(kāi)始通電到油墨變色的時(shí)間t3、t4；(5) 比較t1、t2、t3、t4的大小，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)表明：(1)t2

6 結(jié)語(yǔ)

在物理教學(xué)中，我們可以借助一些特別的器材或工具，巧妙運(yùn)用轉(zhuǎn)換的方法，把一些不容易直接觀察的物理現(xiàn)象直觀地顯現(xiàn)出來(lái)，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，提高物理課堂的教學(xué)效果，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。