基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的“內(nèi)能 熱傳遞”教學(xué)設(shè)計(jì)

劉沁心

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校，江蘇 南京 211102)

1 引言

物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為主的學(xué)科,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是物理教學(xué)的重要手段．《新課標(biāo)》要求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力,挖掘物理與生活之間的聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的水平．除了教科書(shū)所規(guī)定的必做實(shí)驗(yàn),一些具有創(chuàng)新性的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn),或一些與時(shí)俱進(jìn)的新型器材,對(duì)于部分物理知識(shí)的教學(xué)也起到了非常有效的作用．若沒(méi)有這些創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)內(nèi)能的認(rèn)識(shí)僅僅停留在抽象的理論層面,對(duì)熱傳遞也僅僅依靠小學(xué)科學(xué)課上學(xué)過(guò)的知識(shí).這樣的課堂雖然學(xué)生都能夠順利完成,達(dá)到教學(xué)目標(biāo),卻忽略了學(xué)生的體驗(yàn)與個(gè)性發(fā)展．基于此,教師要?jiǎng)?chuàng)新初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率．

2 “內(nèi)能 熱傳遞”教學(xué)過(guò)程

“內(nèi)能 熱傳遞”是在學(xué)生完成分子動(dòng)理論和機(jī)械能等物理知識(shí)的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)內(nèi)能這種全新的能量,并了解改變內(nèi)能的其中一種方式——熱傳遞．既是前面知識(shí)的拓展與延伸,也為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)．下面筆者通過(guò)設(shè)計(jì)一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與探索活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解內(nèi)能的概念與熱傳遞．

圖1 橡皮筋動(dòng)力小車

2.1 利用兩種小車,引入新課

演示實(shí)驗(yàn)1:橡皮筋動(dòng)力小車.

師:不用手推,你可以讓圖1小車動(dòng)起來(lái)嗎?

(演示:轉(zhuǎn)動(dòng)車輪,使橡皮筋形變,小車動(dòng)起來(lái).)

師:運(yùn)動(dòng)的小車具有什么能?

生:動(dòng)能．

師:它的動(dòng)能是由什么能轉(zhuǎn)化而來(lái)的?

生:橡皮筋的彈性勢(shì)能．

圖2 外燃機(jī)小車

演示實(shí)驗(yàn)2:外燃機(jī)小車.

師:這個(gè)小車的管內(nèi)只有空氣,你可以讓它動(dòng)起來(lái)嗎?

(演示:酒精燈加熱玻璃管,小車動(dòng)起來(lái)，如圖2所示.)

師:小車此時(shí)的動(dòng)能必然也是一種能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的,這種能量是一種與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量,也就是我們今天要學(xué)習(xí)的“內(nèi)能”．

設(shè)計(jì)意圖:內(nèi)能是一種十分抽象的能量,課本上直接給出汽油、煤、天然氣等燃燒放熱,以及物體摩擦發(fā)熱,釋放的都是一種與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量,即內(nèi)能．筆者認(rèn)為這樣直接指出內(nèi)能,學(xué)生直觀體驗(yàn)不夠,無(wú)法理解這種能量．而通過(guò)外燃機(jī)小車與橡皮筋動(dòng)力小車的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)小車的動(dòng)能必然由一種能量轉(zhuǎn)化而來(lái),加熱氣缸后才可以有能量轉(zhuǎn)化出來(lái),學(xué)生直觀體驗(yàn)到此能量與溫度及分子熱運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,有利于之后學(xué)習(xí)的鋪墊．

2.2 認(rèn)識(shí)內(nèi)能

2.2.1 內(nèi)能的定義

師:要認(rèn)識(shí)內(nèi)能,我們必須回顧分子動(dòng)理論．分子動(dòng)理論有哪些內(nèi)容?

生:分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng);分子間有相互作用的引力和斥力;分子間有空隙．

師:類比物體的動(dòng)能和勢(shì)能,你覺(jué)得分子有動(dòng)能和勢(shì)能嗎?

生:有,因?yàn)榉肿釉谶\(yùn)動(dòng),所以有動(dòng)能．

師:我們稱之為分子動(dòng)能．

生:彈簧有相互作用力,物體和地球間也有相互作用力,它們有勢(shì)能,因?yàn)榉肿娱g也有相互作用力,所以也有勢(shì)能．

師:我們稱之為分子勢(shì)能．

師:一個(gè)物體動(dòng)能與勢(shì)能的總和是機(jī)械能,那么一個(gè)分子的分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和是什么呢?

生:內(nèi)能．

師:大家同意他的看法嗎?

生:物體內(nèi)部有大量分子,所以內(nèi)能應(yīng)該是物體內(nèi)所有分子動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和．

師:大家同意他的觀點(diǎn)嗎?非常好,這就是內(nèi)能的概念．

師:汽油、柴油燃燒釋放的能量屬于內(nèi)能,摩擦生的熱也屬于內(nèi)能．

設(shè)計(jì)意圖:此處主要是類比物體的動(dòng)能與勢(shì)能,引導(dǎo)學(xué)生思考分子有動(dòng)能和勢(shì)能嗎,進(jìn)而得出內(nèi)能的概念．需注意的是,研究單個(gè)分子的分子動(dòng)能和與分子勢(shì)能和是沒(méi)有意義的,教學(xué)時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)此點(diǎn)．

2.2.2 哪些物體有內(nèi)能

(投影圖片3:地面上運(yùn)動(dòng)的外燃機(jī)小車.)

師:此時(shí)管內(nèi)的空氣有內(nèi)能嗎?為什么?

生:有內(nèi)能轉(zhuǎn)化為小車機(jī)械能．

(投影圖片4:地面上靜止的外燃機(jī)小車.)

師:現(xiàn)在管內(nèi)的空氣有沒(méi)有內(nèi)能?為什么?

圖3 點(diǎn)火加熱的外燃機(jī)小車

圖4 靜止的外燃機(jī)小車

生:有,空氣分子在永不停息地運(yùn)動(dòng),所以此時(shí)空氣有內(nèi)能．

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生很容易認(rèn)為只有加熱后的、溫度高的物體才具有內(nèi)能,此時(shí)必須通過(guò)實(shí)例深化理解內(nèi)能的概念,只要分子運(yùn)動(dòng)不停止,內(nèi)能就一直存在,通過(guò)圖3與圖4同一輛小車不同狀態(tài)下的對(duì)比,很好地形成了認(rèn)知沖突．

演示實(shí)驗(yàn)3:溫差發(fā)電燈泡.

圖5 加熱一端后亮起的溫差發(fā)電燈泡

(演示:加熱溫差發(fā)電燈泡后燈泡亮起,如圖5.)

師:加熱后的金屬有內(nèi)能嗎?為什么?

生:因?yàn)槠滢D(zhuǎn)化為燈泡的電能．

師:冷的金屬有沒(méi)有內(nèi)能?

(演示:冷水泡加熱端,使燈熄滅)

師:此時(shí),沒(méi)有內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為燈泡的電能了．現(xiàn)在,我讓金屬的另一端變冷,有多冷?-78 ℃．

圖6 冷卻一端后亮起的溫差發(fā)電燈泡

(演示:金屬另一端放干冰,燈泡再次亮起,如圖6.)

師:燈亮了,這說(shuō)明什么?

生:冷的金屬有內(nèi)能．

師:為什么-78 ℃的金屬也有內(nèi)能呢?

生:因?yàn)榇藭r(shí)金屬分子也在運(yùn)動(dòng)．

師:其實(shí),這套裝置是利用溫差發(fā)電的原理,只要兩端金屬間存在足夠的溫度差,金屬的內(nèi)能就能被轉(zhuǎn)化利用起來(lái)．

師:所以,你覺(jué)得什么物體有內(nèi)能?為什么?

生:一切物體,因?yàn)橐磺形矬w的分子都在永不停息地?zé)o規(guī)則運(yùn)動(dòng)．

師:一切物體都有內(nèi)能,那是不是一切物體都有機(jī)械能?

生:一切物體都有內(nèi)能,但不是所有物體都有機(jī)械能．只有正在運(yùn)動(dòng)或被舉高或發(fā)生彈性形變的物體才具有機(jī)械能．

設(shè)計(jì)意圖:課本以及大多數(shù)教師在這塊的處理方式僅僅是展示出一張冰山的圖片,讓學(xué)生通過(guò)任何物體的分子都在永不停息地運(yùn)動(dòng)推理出:無(wú)論溫度高低物體都有內(nèi)能,缺乏真實(shí)體驗(yàn),甚至心中可能還存有疑惑．此處筆者創(chuàng)新性地使用溫差發(fā)電小燈泡,巧妙地利用該裝置只要兩端金屬間存在足夠的溫度差,金屬的內(nèi)能就能被轉(zhuǎn)化利用起來(lái)．學(xué)生在觀察到加熱后燈泡亮并不驚訝,他們已經(jīng)形成思維慣性,只要加熱,金屬的內(nèi)能就可以轉(zhuǎn)化成燈泡的電能．但是接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)讓他們形成了激烈的認(rèn)知沖突:金屬一端加-78 ℃的干冰,金屬的內(nèi)能仍然能轉(zhuǎn)化出來(lái)．現(xiàn)象清楚,疑惑解除,概念加深．

2.2.3 內(nèi)能大小與溫度的關(guān)系

(投影圖片:地面上運(yùn)動(dòng)的外燃機(jī)小車.)

師:空氣本身有內(nèi)能,可是加熱后空氣的內(nèi)能才轉(zhuǎn)化為小車的機(jī)械能,這又說(shuō)明什么?

生:內(nèi)能大小與溫度有關(guān)．溫度越高,內(nèi)能越大．

師:溫度會(huì)影響內(nèi)能嗎?又是如何影響的呢?

設(shè)計(jì)意圖:此處再次利用外燃機(jī)小車引出內(nèi)能與溫度的關(guān)系,承上啟下．

分組實(shí)驗(yàn)1:觀察擴(kuò)散快慢與溫度的關(guān)系.

圖7 冷、熱水中的紅墨水

師:請(qǐng)大家按照書(shū)本活動(dòng)12.4的要求,完成實(shí)驗(yàn),老師同時(shí)從另一個(gè)角度來(lái)演示紅墨水的擴(kuò)散．如圖7,上面這根試管是冷水,下面是熱水．

演示實(shí)驗(yàn)4:在兩根試管中同時(shí)滴紅墨水.

師:你觀察到的現(xiàn)象和老師的一樣嗎?此現(xiàn)象說(shuō)明什么?

生:溫度越高,墨水?dāng)U散得越快．

師:墨水?dāng)U散得快說(shuō)明什么?

生:分子運(yùn)動(dòng)越劇烈,分子動(dòng)能越大,內(nèi)能越大．

師:所以溫度越高,內(nèi)能越大．

設(shè)計(jì)意圖:創(chuàng)新性地利用橫試管演示紅墨水的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn),可顯示橫向的擴(kuò)散,一定程度上減弱了重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,避免了部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為墨水?dāng)U散主要是因?yàn)槟艿街亓Φ木壒剩?/p>

(投影:3杯水,如圖8.)

圖8 質(zhì)量、溫度不同的3杯水

師:哪杯水的內(nèi)能最大?

生:A杯水質(zhì)量大溫度高,所以內(nèi)能最大．

師:為什么?

生:內(nèi)能還與物體質(zhì)量有關(guān),分子數(shù)越多,所有分子動(dòng)能和與勢(shì)能和就越大,內(nèi)能就越大．

師:哪杯水的內(nèi)能最小?

生:B.

2.3 熱傳遞

師:B這杯水內(nèi)能最小,不改變水的質(zhì)量,你能想方法增大水的內(nèi)能嗎?

生:用火燒、太陽(yáng)曬、放到熱水里、用手捂．

師:這些方法有什么共同點(diǎn)嗎?

生:火、太陽(yáng)、熱水、手與水之間都存在溫度差．

師:為什么它們之間存在溫差,就可以改變冷水的內(nèi)能?對(duì)另一個(gè)物體的內(nèi)能會(huì)有影響嗎?

師:現(xiàn)在我們就選用其中一種方法，將這杯冷水放入大杯熱水中,看看還會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)嗎?

圖9 溫度傳感器測(cè)水溫

分組實(shí)驗(yàn)2:冷水放進(jìn)熱水里,觀察它們溫度的變化.

師:將溫度探頭分別放入兩杯水中,如圖9;待傳感器溫度示數(shù)穩(wěn)定后,再將小燒杯放入大燒杯中,如圖10,在溫度傳感器顯示屏上觀察兩杯水的溫度變化,如圖11．

圖10 溫度傳感器測(cè)水溫 圖11 溫度傳感器顯示屏

同時(shí)教師會(huì)將溫度數(shù)據(jù)采集錄入電腦坐標(biāo)系中．

(投影溫度坐標(biāo)圖像,如圖12.)

師:你觀察到什么現(xiàn)象?

生:冷水溫度升高,熱水溫度降低,最終溫度相等．

師:這些現(xiàn)象說(shuō)明冷水和熱水的內(nèi)能分別經(jīng)歷了怎樣的改變?

圖12 溫度數(shù)據(jù)采集圖像

生:冷水內(nèi)能增大,熱水內(nèi)能減少．

師:這說(shuō)明內(nèi)能在冷水和熱水之間發(fā)生了轉(zhuǎn)移．我們把這種物體之間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象叫作熱傳遞．

設(shè)計(jì)意圖:由于學(xué)生在小學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)熱傳遞,所以教材在這塊內(nèi)容上采取讓學(xué)生列舉生活中熱傳遞實(shí)例的方式,總結(jié)其規(guī)律,缺乏直觀體驗(yàn)．筆者利用溫度傳感器采集的溫度變化圖像,形象直觀地體現(xiàn)了發(fā)生熱傳遞時(shí)兩物體內(nèi)能的變化以及熱傳遞最終的結(jié)果．

師:用火燒、太陽(yáng)曬、放到熱水里、用手捂這些方法都屬于熱傳遞,要發(fā)生熱傳遞,必須滿足什么條件?

生:兩個(gè)物體存在溫度差．

師:內(nèi)能會(huì)一直發(fā)生轉(zhuǎn)移嗎?

生:不會(huì)．

師:什么時(shí)候內(nèi)能就停止轉(zhuǎn)移了?為什么?

生:最后它們溫度相等,內(nèi)能不變,所以此時(shí)內(nèi)能停止轉(zhuǎn)移．

師:結(jié)合以上實(shí)例,你覺(jué)得發(fā)生熱傳遞時(shí),內(nèi)能總是從哪里轉(zhuǎn)移到哪里?

生1:從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體．

師:還有不同意見(jiàn)嗎?

生2:從內(nèi)能大的物體轉(zhuǎn)移到內(nèi)能小的物體．

師:你們同意哪位同學(xué)的觀點(diǎn)?怎樣反駁生2呢?

(演示此時(shí)的一小杯冷水和一大杯熱水.)

師:冷水熱水溫度此時(shí)相等,但大燒杯中水的內(nèi)能大,它們放在一起,還能發(fā)生熱傳遞嗎?這說(shuō)明什么?

生:熱傳遞時(shí),能量不是從內(nèi)能大的物體轉(zhuǎn)移到內(nèi)能小的物體．

2.4 熱量

師:我們就把物體在熱傳遞過(guò)程中轉(zhuǎn)移的能量叫作熱量,符號(hào)Q表示,單位焦耳．

師:在熱傳遞過(guò)程中,高溫物體放出熱量,低溫物體吸收熱量．

師:我們可以說(shuō)物體“具有”多少熱量嗎?

生:不能,因?yàn)闊崃渴寝D(zhuǎn)移的那部分能量．

師:所以,熱量是一個(gè)過(guò)程量,不能說(shuō)“具有多少熱量”．

2.5 小結(jié)

(投影圖片:地面上運(yùn)動(dòng)的外燃機(jī)小車.)

師:課堂一開(kāi)始的這輛小車,運(yùn)用到了我們今天學(xué)習(xí)的哪些知識(shí)?

生:氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為小車的機(jī)械能,氣體有內(nèi)能;溫度越高,內(nèi)能越大;氣體內(nèi)能增大是因?yàn)榛鹋c氣體之間發(fā)生了熱傳遞;氣體增加的內(nèi)能叫作熱量．

設(shè)計(jì)意圖:外燃機(jī)小車貫穿整節(jié)課,既引入內(nèi)能概念,又鋪墊了哪些物體有內(nèi)能以及內(nèi)能與溫度的關(guān)系,最后讓學(xué)生總結(jié)外燃機(jī)小車上包含的本節(jié)課知識(shí),使學(xué)生概念得到進(jìn)一步深化,并很好地結(jié)合了生活實(shí)際,貫徹了新課標(biāo)中“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”的課程理念．

3 結(jié)束語(yǔ)

總之,在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師要貼合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué),將抽象的物理實(shí)驗(yàn)變得具象生動(dòng),將冰冷的實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得充滿溫度．通過(guò)多媒體、改進(jìn)原實(shí)驗(yàn)、制作小實(shí)驗(yàn)等步驟,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考,從生活中啟迪,從課堂中創(chuàng)新,達(dá)到初中物理實(shí)驗(yàn)高效課堂,提升中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．