初中物理實驗：機械能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化實驗研究

陳士元

每一名從事初中物理教學(xué)的教師，在機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化章節(jié)教學(xué)中都要做兩個物理演示實驗，但要順利完成這兩個實驗也許或多或少存在一些困難。各種教學(xué)資料中有關(guān)這兩個物理實驗特別是關(guān)于空氣壓縮引火儀的論述很多，但大多是從物理教學(xué)的需求來研究的，重點是如何使用器材，而筆者是從實驗管理員的角度，著眼于器材制作和功能，重點是如何確保器材在實驗中能正常使用，保證實驗效果，從而為實驗教學(xué)提供保障。

一、內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能—酒精蒸汽爆炸裝置

蘇科版初中物理教材第十二章第四節(jié)《機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化》中的實驗：演示點火爆炸—將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，教材中有一張裝置圖片，但實驗室沒有現(xiàn)成的成套器材，需要自制。

制作材料：電子點火槍、塑料盒、5號電池、電烙鐵。

材料來源：電子點火槍從液化氣加氣站門市部購得，每把15元左右(飯店多灶頭點火工具)；塑料盒可用照相館的廢棄膠卷盒，其他塑料盒也可以，但盒體和蓋配合應(yīng)是壓扣式而不是螺旋式。

制作方法：自制該實驗裝置主要是模仿教材中的設(shè)計，但教材中的文字?jǐn)⑹龃嬖谝恍﹩栴}，如“在透明塑料盒的底部鉆一個孔，把電子式火花發(fā)生器的放電管緊緊地塞進孔中，打開塑料盒蓋，向盒中滴入數(shù)滴酒精，再將盒蓋蓋緊，然后按動電子火花發(fā)生器的按鈕。你觀察到什么現(xiàn)象？”

問題1：鉆這個孔需要選用多大直徑的鉆頭？

問題2：如何確保孔和放電管緊密配合？

問題3：滴入數(shù)滴酒精？是2滴還是3滴或是更多？

問題4：觀察到什么現(xiàn)象？是用眼睛來觀察嗎？這與塑料盒透明有關(guān)嗎？

筆者的做法是：用燒熱的電烙鐵在盒蓋上燙一個孔，趁孔的四周塑料還是柔軟時就將放電管塞進去，這樣孔的大小和放電管就匹配了，冷卻后雖有間隙但不會影響實驗效果，不必“緊緊地塞進孔中”。酒精量的控制為，不管滴入多少酒精，搖晃幾下塑料盒，然后將盒底朝上倒掉多余的酒精。如果一定要說量的多少，應(yīng)是用滴管滴2～3滴。做演示實驗前在盒外試一下電子槍，觀察有沒有電火花，也就是說電子槍是否正常。塑料盒蓋上蓋子后，一只手拿電子槍，另一只手握住塑料盒，將其加熱一下，這一步很重要，因為我們點燃的是酒精蒸汽，用手掌加熱一下塑料盒是為了加快酒精的蒸發(fā)，等待5～10秒，讓盒內(nèi)的酒精基本變成酒精蒸汽，這時就具備了點火條件，按動按鈕就行了。

確保實驗成功的條件有兩個：一是電火花正常，如果是用打火機改裝就無法確保電火花強勁和穩(wěn)定；二是酒精蒸汽的濃度達到爆炸要求(參數(shù)為：爆炸極限濃度3.5%～18.0%(V/V))。由于爆炸是在瞬間完成，學(xué)生基本上是聽到爆炸聲。

二、做功改變物體的內(nèi)能—空氣壓縮引火儀

蘇科版初中物理教材第十二章第四節(jié)《機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化》中的實驗：空氣壓縮引火儀。這一實驗是物理傳統(tǒng)實驗，各種版本的教材上都有，有成熟的產(chǎn)品可供采購，也有很多關(guān)于它的使用和改進的好建議，但筆者認(rèn)為要研究它，還是從儀器說明書入手比較好。

空氣壓縮引火儀說明書中的使用方法：取綠豆大小的普通棉花，置于活塞端部，蓋好簡蓋，用手心按住手柄，用力將活塞快速一壓使氣缸內(nèi)空氣驟然壓縮，即可看到棉花燃燒發(fā)光的現(xiàn)象，并有白煙。當(dāng)再做實驗時，應(yīng)先排除氣缸內(nèi)廢氣吸進新鮮空氣。

注意事項：(1)演示時棉花不宜放得過多，用量以綠豆大小為宜。(2)活塞應(yīng)保持含油狀態(tài)，否則會干裂老化。(3)使用前在活塞上涂上油脂(蓖麻油或清潔機油)。(4)使用后應(yīng)擦去氣缸內(nèi)的污物。

疑問1：綠豆大小是壓緊的還是疏松？

疑問2：快速一壓有多快？力氣小的女教師能行嗎？

疑問3：活塞應(yīng)保持含油狀態(tài)，活塞上的橡膠圈應(yīng)該這樣保管嗎？

疑問4：使用前在活塞上涂上油脂，這個方法對嗎？

筆者的操作方法：引火儀圓筒內(nèi)壁要保持干燥、清潔。不能有油漬，必要時要用布條擦拭。硝化棉用量不是綠豆大小而是要將硝化棉撕開，取薄薄的一小塊，有半個指甲蓋大小就行，若論質(zhì)量應(yīng)是毫克級，類似于一片小雪花。實驗操作分三步：第一步，用專用清潔棒將硝化棉推至空氣壓縮引火儀圓筒的底部。再將壓縮桿放入圓筒，旋轉(zhuǎn)圓筒蓋子。第二步，豎直放好空氣壓縮引火儀，將壓縮桿向下試壓一下，再拉起3 cm左右。第三步，用手掌對壓縮桿用力一拍，實驗就成功了。

為什么不能使用油脂？橡膠及其制品在加工、貯存和使用過程中，由于受內(nèi)外因素的綜合作用而引起橡膠物理化學(xué)性質(zhì)和機械性能的逐步變差，最后喪失使用價值，這種變化叫做橡膠老化。表面上表現(xiàn)為龜裂、硬化等。橡膠老化的因素：氧、臭氧、熱、光、機械應(yīng)力、水分、油類等。

如何做一根空氣壓縮引火儀專用清潔棒？教師在使用空氣壓縮引火儀中往往存在這樣的問題：放入圓筒內(nèi)的硝化棉或火柴頭沒有點著，由于受到擠壓又很難倒出。多次積累后會影響后面實驗的成功率。怎樣清除？筆者做了一種專用清潔棒，它的頂端是楔形刀口，這個楔形刀口具有挖掘功能，能將壓緊的物品挖松，從而使之輕松地倒出來。怎樣制作這個清潔棒？可以利用舊的實驗器材微小壓強計中的金屬棒，這個金屬棒長度、粗細(xì)和硬度正好合適，利用砂輪機斜斜地磨去金屬棒頂端的一部分而形成楔形，由于尖端在圓棒的邊緣呈圓弧形，方便對圓筒內(nèi)壁的污垢進行清潔，不過楔形的邊緣要用磨刀石修整光滑，以防損傷圓筒內(nèi)壁，用一塊薄布裹在金屬棒上沾些酒精就能將圓筒壁擦拭干凈。

如何制作硝化棉？(1)儀器、藥品：濃硝酸，濃硫酸，大號磨口試劑瓶及磨口塞，玻璃棒，大號鑷子。(2)配置混酸：在大號的磨口試劑瓶中加入濃硝酸:濃硫酸=1:3～4(V/V)，注意要把硫酸倒入硝酸中，防止濺灑，混合后用玻璃棒輕輕攪拌或微微晃動瓶身，蓋上玻璃塞冷卻至室溫備用。(3)硝化：要慢慢加，棉花不要加太多，剛好能被混合酸完全浸泡即可，將脫脂棉一小塊一小塊地加入混合的酸液中，同時用玻璃棒將其間的空氣泡擠出，最后使瓶中留有5 mm的酸液層(被硝化物不要露出酸液表面)，泡1～2小時。(4)清洗：大號鑷子取出硝化棉，用大水沖洗至聞不出酸味，晾干即可。(5)保存：裝入高密度聚乙烯瓶(平時裝固體化學(xué)藥劑的容量瓶)，外部套上黑色塑料袋，干燥、陰涼保存。(6)質(zhì)量鑒定：點燃，強棉只會留有微量殘渣，無酸味。硝化棉會自行分解，長期存放時要定期檢查變質(zhì)狀況，可以取少量硝化棉點燃，聞聞燃燒后的煙氣酸味重不重，若有強烈的刺激性酸味，則質(zhì)量不好，但輕微變黃并不影響使用。

以上實驗研究起源于教師的抱怨，一位說三個班使用電子槍，只有一個班響了，能不能響要碰運氣。另一位說兩個實驗全部失敗了，抱怨器材有問題，影響了教學(xué)。失敗的原因是器材還是操作方法呢？筆者認(rèn)為器材是基礎(chǔ)，操作是關(guān)鍵。實驗室管理員要幫助教師熟悉器材，提高操作技能。