基于安全性的“做功改變內能”實驗改進

摘 要：安全性是實驗的第一原則，根據當前“做功改變內能實驗”存在的安全性不足等缺點，用抽濾瓶和真空表對其進行改進，提高實驗的安全性，也使得實驗過程中打氣的程度更容易把握.

關鍵詞：安全性;做功;內能

文章編號：1008-4134（2020）12-0038中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1 教材中實驗存在的不足

教材（以人教版為例）設計了兩個實驗.第一個實驗的裝置如圖1所示，用壓縮的方法點燃硝化棉，以此說明“對氣體做功，氣體的內能增大”，但此實驗缺點明顯.首先，實驗成功率不高;其次，如果使用不當，儀器會破裂，存在一定安全隱患.

第二個實驗的裝置圖如圖2所示，向瓶內打氣，最終塞子彈起，瓶內出現白霧，說明“氣體對外做功時，內能減小”.此實驗缺點更明顯，首先，很難控制塞子究竟要塞多緊，塞得不緊，實驗效果不明顯甚至沒現象，而塞得太緊，就要打很多氣塞子才會彈起，極具安全隱患.其次，即使瓶內出現白霧，對于全班同學來說，觀察起來也并不容易.再次，沒有直接顯示瓶內的溫度變化，學生理解起來較為困難，不利于主線知識的體現.

教材中的實驗，成功率不高、現象不明顯倒是其次，最大的問題就是有安全隱患.

2 常見改進實驗存在的不足

對于“做功改變內能”實驗，目前有不少教師進行了一系列的改進.但改進后的實驗大都采用普通玻璃瓶進行實驗：對玻璃瓶打氣，瓶內氣體溫度升高，說明“對氣體做功，氣體的內能增大”，松開閥門，氣體沖出玻璃瓶，對外做功，氣體溫度降低，說明“氣體對外做功，內能減小”.

這種做法雖然直觀地呈現了實驗現象，但存在很大的安全隱患.普通的玻璃瓶對氣壓的耐受力有限，再加上無法直觀展示瓶內氣壓的變化情況，不知道具體打了多少空氣進去，打氣少了瓶內溫度變化不明顯甚至沒變化，打氣多了，安全隱患巨大.因此，實驗過程中的打氣環節很難把握，而且整個實驗過程都籠罩在一種“危險”的氛圍中.

3 基于安全性的實驗改進

3.1 改進方法

針對普通玻璃瓶氣壓耐受力不足的缺點，采用高硼硅材質的抽濾瓶（如圖3所示）代替普通的玻璃瓶.抽濾瓶又稱為布氏燒瓶（Büchne Flask），由1907年諾貝爾化學獎獲得者Eduard Buchner發明.布氏燒瓶的壁比錐形瓶要厚很多，至少可承受一個大氣壓，側面有一個細頸可以與真空泵連接，以便在過濾溶液的時候給瓶內抽氣，加快過濾速度.因此，用抽濾瓶可以大大提高實驗的安全性.

針對無法展示瓶內氣壓的缺點，增加一個真空表（如圖4所示）測量瓶內的氣壓，以便操作過程中把握打氣的程度，在安全的前提下，最大限度地優化實驗現象.抽濾瓶側面的細頸剛好可以用于連接真空表.

整個裝置主要由鐵架臺、抽濾瓶、電子溫度計（如圖5所示）、真空表、橡膠塞、打氣筒、金屬導管、塑料軟管等構成.

根據電子溫度計探針的直徑以及金屬導管的直徑將軟質橡膠塞打兩個孔（上下貫通），將電子溫度計的探針和金屬導管穿過橡膠塞.為了保證裝置的氣密性，在橡膠塞的側壁上涂適量凡士林，為避免打氣時塞子被高壓氣體頂起來，用細鐵絲將橡膠塞和抽濾瓶固定在一起，如圖6所示.將真空表的金屬緩沖管用鋼鋸截斷，用于連接塑料軟管.

把抽濾瓶放在鐵架臺底座上，將鐵圈固定在鐵架臺的適當高度，用塑料軟管將抽濾瓶側面的細頸與真空表的緩沖管連接起來，使其連通，橡膠塞上面的金屬導管也連接一個塑料導管，以便連接打氣筒，裝置結構如圖7所示，實物圖如圖8所示.

3.2 實驗過程

先將整個裝置靜放一段時間，使瓶內的溫度與室溫相同，為17.6攝氏度.用打氣筒向抽濾瓶內慢慢打氣，發現電子溫度計的示數慢慢上升，待瓶內氣壓為1.5個大氣壓時，打氣速度放慢（控制抽濾瓶內的氣壓不超過1.8個大氣壓，以保證實驗的安全性），電子溫度計的示數仍上升，最終示數為19.2攝氏度（如圖9所示）.說明給瓶內氣體做功，氣體的內能增大了.

然后將打氣筒拔掉，氣體瞬間沖出并對外做功，電子溫度計的示數也隨之慢慢下降，大概一分鐘后，降為17.7攝氏度（如圖10所示）.說明瓶內氣體對外做功，氣體的內能減小了.

3.3 實驗注意事項

由于瓶內氣體溫度升高時會向周圍空氣散熱，因此剛開始打氣時，力度可以大一些，使得瓶內氣體溫度迅速上升，以減小氣體散熱帶來的影響，待瓶內氣壓為1.5個大氣壓時，可適當減小打氣的力度，由于瓶內氣體溫度上升的延遲效應，電子溫度計的示數仍然會持續上升，使實驗現象明顯.千萬不可為了追求溫度升高的速度而一味加大打氣的力度，瓶內氣壓盡量不要超過1.8個大氣壓，保證實驗的安全性.

4 建議與展望

安全性是實驗的第一原則，尤其是當前中小學課堂實驗.因此，建議各位同行在以后進行“做功改變內能”的實驗時，可參考本裝置去改進，將安全放在第一位，同時本裝置也可以對打氣程度進行更精準的把握和控制，使實驗現象更明顯.

參考文獻：

[1]張皓洋.“做功改變物體內能”的實驗裝置[J].發明與創新（中學生），2020（01）：30-31.

[2]張靈麗，黃丹.淺談基于真實操作情境下的實驗設計原則[J].化學教與學，2019（10）：85-88.

[3]任少鐸.對液體沸點與氣壓關系演示實驗的改進[J].物理教學探討，2019，37（06）：45-46+48.

[4]陳濤，劉全民，劉東利.“做功改變物體內能”改進實驗[J].中學物理，2019，37（06）：30-32.

[5]薛金玲. 再生水吸入暴露的風險因子鑒定和健康危害研究[D].北京：清華大學，2016.

[6]張軍民，蔡旺.“空氣壓縮引火儀”實驗改進[J].中學物理，2020，38（06）：20-22.

[7]鄭克東，何季軍.自制實驗裝置 突破“內能”教學難點[J].中學物理，2020，38（02）：27-28.

[8]周吉平.自是簡易教具 突破教學難點[J].中學物理，2018，36（18）：24-25.

（收稿日期：2020-03-11）