做功改變內能實驗演示儀

江耀基,肖春燕，藍斗高

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

1 教材實驗存在的問題

做功改變內能是教材中的2個演示實驗[1]，它既是本節教學中的重點，也是學生學習的難點，為了突破該知識點，教材上安排了如圖1所示的2個實驗. 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，使空氣內能增大，溫度升高，達到硝化棉的燃點. 在圖1(b)中，向瓶內打氣，當瓶塞跳出時，觀察到瓶內出現白霧，說明水蒸氣液化成小水珠，得出氣體膨脹對外做功，內能減小，溫度降低. 由此可見，做功也可以改變物體的內能[1].

(a) (b)圖1 教材中實驗

在教學實踐中發現，上述2個實驗在具體的實驗操作時都存在問題.

圖1(a)實驗存在的問題：

1)向下壓縮空氣，有時看不到棉花燃燒，實驗現象不明顯；

2)看不到棉花燃燒現象，無法說明對物體做功，得不到內能增大的實驗結論；

3)如果使用不當，會造成實驗儀器破裂，存在安全隱患.

圖1(b)實驗中存在的問題：

1)塞子跳出時，有時看不到瓶內出現白霧，實驗現象不明顯；

2)塞子塞得太緊，塞子不容易沖出，要反復打氣，可能存在安全隱患；

3)燒瓶內溫度的變化無法直接體現.

2 改進創新實驗方案

2.1 利用數學溫度計和激光，提高現象的直觀性

教材中的2個實驗，是通過實驗現象來說明溫度的變化，如“棉花燃燒展示溫度升高”、“出現白霧展示溫度降低”. 這些現象的原理需要教師向學生解釋，且實驗為定性實驗無法展示溫度的數值變化. 為此，將該實驗裝置進行了改進，改進的實驗采用電子溫度計測量實驗裝置內空氣的溫度，通過直接觀察電子溫度計屏上顯示的空氣溫度變化，說明“溫度升高”或“溫度降低”實驗結論. 另外，通過激光筆照射實驗裝置內空氣可見度的變化判斷是否出現白霧. 通過改進，實驗現象更明顯、直觀.

2.2 整合實驗方案，增強裝置的實用性

教材中的2個實驗，是相互獨立的，演示時需要分開進行，占用了教學時間. 為此，可將2個實驗進行合并，設計了新的實驗演示儀，如圖2所示. 該演示儀由支架、大號注射器(200 mL)、激光筆、數字溫度計、感溫探頭(裝在活塞內)、卡口、孔塞(用細繩系在支架上)等組成. 其中注射器的針筒固定在支架可上下移動的活動橫桿上，數字溫度計、激光筆分別固定在支架上相應的位置.

圖2 做功改變內能實驗演示儀

3 用演示儀進行實驗教學

3.1 實驗步驟

1)在注射器內加入少量的酒精(或水)，將活動橫桿(針筒)向上移動一段距離，同時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，這樣注射器內就密封了一段空氣.

2)打開數字溫度計，記下此時注射器內密封空氣的初溫t0. 打開激光筆，用雙手按住活動橫桿的兩側，突然迅速向下用力壓縮注射器內的密封空氣，直到活動橫桿被兩側的卡口固定為止，觀察此時數字溫度計上顯示的末溫t. 實驗發現末溫t明顯高于初溫t0.

3)待數字溫度計上顯示的溫度下降一定溫度并穩定后，用鑰匙手動開啟注射器嘴上的孔塞[如圖3(a)]，觀察到數字溫度計示數出現明顯下降，同時針筒內出現明顯的紅光束，說明針筒內出現白霧[如圖3(b)].

(b)注射器內產生了霧圖3 實驗現象

3.2 實驗結論

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

4 結束語

改進實驗中，利用數字溫度器和激光筆，使做功改變內能的實驗現象更加明顯，提高了實驗現象的直觀性；通過實驗方案的整合，增強了實驗裝置的實用性和可循環使用性；通過簡化實驗步驟，使眾多的、繁瑣的實驗操作步驟得以優化，確保了物理教學中演示實驗的成功率，激發了學生的學習興趣，培養了學生的綜合能力，提升了學生的核心素養.