做功改變物體內能實驗的再次改進

做功改變物體內能實驗的再次改進

劉立華

(廊坊市固安縣第二中學河北 廊坊065500)

李洪清

(廊坊市固安縣教育局河北 廊坊065500)

收稿日期：(2015-06-10)

《物理通報》2015年第5期上發表了筆者所寫的“做功改變物體內能的實驗改進”的文章.它是將人教版九年級物理課本，第十三章第二節“內能”中，把“做功改變物體內能”的兩個實驗加以改進后，合二為一.改進后的裝置如圖1所示.

圖1　改進后的實驗裝置

實驗裝置改進后的好處：

(1)將物理課本中甲、乙兩個實驗結合在一起，精煉了課本內容，減輕了教師和學生的負擔.

(2)實驗現象可見度大，效果明顯，安全性高，既可作為演示實驗，也可作為分組實驗.

(3)實驗裝置使做功改變內能的變化變成具體的溫度示數變化，使模糊的實驗現象變得清楚、具體、準確，實現了實驗結果由定性向定量的轉變.

(4)實驗裝置有較大的響聲，且視覺沖擊力強，實驗能給學生留下深刻的印象.

準備發表之前，自己覺得非常完美，甚至憧憬著我們的改進裝置會被寫進初中物理教材.于是將此裝置的圖片和文字說明郵寄給專家，請專家進一步指導，專家首先對我們的探索精神給予了肯定，同時提出了以下建議：

(1)實驗效果的可靠度如何？有沒有經過大量實踐驗證？

(2)此實驗裝置不能保證做功氣體的質量不變.

盡管本實驗裝置存在不足，專家還是力挺將我們的文章推薦在知名物理專業期刊上發表，以表示對年輕人的鼓勵.按照專家回復的意見，筆者累計做了約600次的實驗，實驗裝置沒有出現任何問題，證明此裝置安全可靠.筆者針對“實驗裝置不能保證做功氣體的質量不變”進行了深入的反思，裝置內的氣體質量的確發生了變化，原裝置實驗不能完全說明“壓縮氣體，氣體溫度升高，氣體對外做功，溫度降低”.為了解決這個問題，筆者邊上課、邊實驗、邊思考，尋求解決的方法.經過多次的實驗改進，新的實驗裝置誕生了！它經歷了以下3個改進過程.

(1)要保證氣體質量不變，就不能再用打氣筒了，因為打氣筒每次打氣，都會向容器內注入新的氣體.于是進行了如下改進：用注射器代替打氣筒，這樣就可保證做功氣體質量不變，實驗裝置其他部分不更換，實驗裝置如圖2所示.

圖2　用注射器代替打氣筒后的實驗裝置

改進后的實驗裝置，保證了氣體質量不變，符合研究的氣體不發生質量變化的要求.但新的問題出現了，由于原來打氣筒能連續打氣，氣體壓縮程度大，溫度計升溫效果明顯，而改用注射器后，由于注射器容積有限，氣體被壓縮程度小了，溫度計示數變化很不明顯，即使將注射器活塞從頭推到底，溫度計的示數變化量只有0.2℃，橡膠塞2不被彈出，更沒有白霧生成.試著剪短橡膠管，溫度計示數變化量還是很小.為了解決這些問題，筆者選擇100ml注射器增大氣體容積,結果實驗現象仍然不明顯，容積更大的注射器在市場和網上都買不到，所以從這個方面改進儀器已經行不通了.

(2)如果不能增大注射器容積，那么就應該從縮小噴出活塞的容器的容積方面入手，于是筆者在化學實驗室找到了一種叫“U型具支試管”的小試管，形狀如圖3中所示，使它代替原裝置中的玻璃容器，裝置其他部分不更換.把左試管口用膠塞密封嚴，右試管口裝上帶細線的噴塞，把左進氣口與注射器用橡膠管相連，把電子溫度計的探頭從右出氣口伸到U型試管內部1cm，并將右出氣口密封.裝置如圖3所示.

圖3　用 U型試管代替原玻璃容器

這組裝置的確保證了被壓縮氣體的壓縮程度達到預期效果，但新的問題又出現了，其一，此裝置的缺點是不能直立，噴塞橫著噴出，可見度低，其二，也是最大的弱點，由于試管玻璃壁薄，某次在做打壓實驗時氣體將小U型試管漲碎，此實驗裝置存在安全隱患，所以此組裝置失敗.

(3)以上裝置的這些弱點，使筆者陷入困境，一切又回到了原點.實驗器材還需要從增大注射器容積的這個方面進行改進，注射器容積要足夠大，最好氣體壓縮的程度可控.筆者一直思考，并試驗了好多器材來代替注射器，都沒有成功.一次偶然的機會筆者看到裝修工人用堵縫槍把密封膠(也叫玻璃膠)擠出填堵窗戶的縫隙，他擠出密封膠的過程完全就像在推動一個大的注射器.工人首先將密封膠桶裝到堵縫槍的槍管上，左手托住槍管，右手輕松扣動堵縫槍扳手，粘稠的密封膠就被擠出，而且擠密封膠量的多少可以用堵縫槍扳手控制，密封膠桶容積大約300ml，是100ml注射器容積的3倍左右，于是筆者得到了啟示，把這套裝置稍加改進，將用過的密封膠空桶的活塞取下，將密封膠空桶清理干凈，把活塞與堵縫槍頂桿前端的推進圓盤安裝在一起，然后再將密封膠空桶裝在堵縫槍的槍管上，同時將活塞裝進密封膠空桶就可以了.組裝后的裝置圖如圖4所示.

圖4　用堵縫槍和密封膠空桶代替注射器

再次改進后的實驗裝置操作步驟：

(1)按圖組裝好實驗裝置后，在啟普發生器中的葫蘆狀球形容器部分中加入少量水，約10ml，再滴入2～3滴酒精，因為酒精比水更易揮發，蒸汽密度大，目的是使塞子噴出時瓶內酒精蒸汽遇冷液化成霧狀的現象更明顯.將數字溫度計裝好電池，撥到ON位置，并記錄此時溫度，此溫度就是室內溫度，記錄為 “初始溫度”.

(2)將膠塞2從葫蘆狀球形容器口上取下，把堵縫槍“頂桿”拉出后再將橡膠塞2壓緊在容器口.扳動堵縫槍的扳手，推動“頂桿”前進，頂桿推動玻璃膠空筒中的活塞前進，開始壓縮氣體，同時觀察溫度計，溫度計的示數開始上升，連續扳動堵縫槍的扳手，推動“頂桿”不斷前進，氣體體積被越壓越小，繼續用“頂桿”壓縮氣體，直到塞子被氣體推出時，溫度計的示數最大，溫度高于室內溫度，記錄為 “壓縮時最高溫”；同時觀察到橡膠塞噴開時，瓶口和瓶內出現大量白霧，與此同時，溫度計的示數開始下降，達到最低值，此溫度低于室內溫度，記錄為 “塞子噴