對“用數值溫度計改進做功改變物體內能實驗的探究”的再思考

摘 要：筆者認為教材中“做功改變物體內能”實驗存在問題，現利用注射器與LED溫度傳感器組合的創新實驗能獲得更直觀的效果，并分析呈現改進過程;將“對內做功”“對外做功”改變物體內能進行結構化處理.

關鍵詞：做功;內能;注射器;溫度傳感器

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0025-02

作者簡介：周健（1980-），男，安徽濉溪人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理教學及實驗創新.

《中學物理》2016年第14期刊登了鐘劍明、劉虹兩位老師撰寫的《用數值溫度計改進做功改變物體內能實驗的探究》一文，筆者按照文章介紹器材（如圖1所示），進行制作，效果較好.經過深入思考及教學實踐，筆者對器材進一步改進，可以克服以下缺點：

（1）此器材較小，液晶顯示器亮度較差，不利于演示使用.

（2）用手握住注射器會發生熱傳遞導致內部氣體溫度升高的問題.

（3）只能說明對物體做功，物體內能增大;不能說明物體對外做功內能減小.不利于學生對做功改變物體的內能的整體建構.

基于以上考慮，為了更加直觀地得到結論，筆者利用注射器與LED溫度傳感器結合攻克以上缺點，制作了儀器.

1 注射器系列及改進過程

1.1 主要器材

注射器2個（規格：200mL或250mL）、LED溫度傳感器、電源（根據溫度傳感器規格而定）、熱熔膠及熱熔膠槍、玻璃膠槍、小刀.

1.2 制作及改進過程

（1）在距離注射器針頭1cm處，用小刀尖旋出一孔，將傳感器溫度探頭塞入注射器約2cm深處，用熱熔膠將孔封死，為有較好封閉效果，建議孔為不規則形狀.

（2）根據W=Fs，移動同樣的距離，施加的力越大，做功越多，增加的內能應該越大;且經實驗驗證，壓縮為原體積的二分之一，溫度變化很小，繼續壓縮至原體積的三分之一，溫度變化較大;而注射器內容積壓縮為原來的三分之一，根據氣體壓強、體積、溫度關系，其內部壓強大約為3.2個標準大氣壓.200mL的注射器，活塞直徑約為5cm，橫截面積約為20cm2，達到上述效果需要的力大小為440N.這個力毫無疑問通過手來推動，有一定困難.筆者首先想到利用螺旋推進器，并將其注射器推進桿截去，如圖2甲所示組裝，但是螺旋推進器螺桿的頂端的特殊構造（如圖2乙所示）容易使活塞受力不在正中間，若把頂端焊死，旋轉式推進使活塞跟隨轉動，會使活塞損壞.

（3）筆者后來采用玻璃膠槍與上述注射器組合.如圖3所示.點亮溫度傳感器，注射器活塞通過玻璃膠槍對氣體做功，發現活塞溫度傳感器示數逐漸增大（如圖4所示），由此說明，對物體做功，物體內能增大.為更加匹配溫度傳感器示數變化和學生觀察，建議緩慢推進.

（4）將兩個活塞之間的氣閥打開，左側注射器內氣體對右側的注射器活塞做功，發現溫度傳感器示數逐漸減小（如圖5所示），由此說明，物體對外做功，物體內能減小.

2 對器材的深入思考

當演示物體對外做功、內能減小的過程時，可能會被認為是內部氣體與外界發生熱傳遞，導致溫度計示數減小，內能減小.可以采取如下措施：對比不打開氣閥和打開氣閥時10s內溫度計示數降低溫度（見表1）.由此可見，打開氣閥，氣體對外界做功時示數降低得較快，從而說明物體對外做功，內能減小.

3 結語

通過壓縮引火儀和燒瓶活塞彈起兩個實驗激趣、設疑，再由上述注射器改裝的實驗儀器直觀呈現出做功和內能的具體關系，進而解決壓縮引火儀和燒瓶活塞彈起的問題，符合學生認知特點.自制的儀器常見，通過網絡可以購買，價格便宜，使學生明白，物理知識、實驗基礎器材就在我們身邊，有利于引導學生進行自主創新實驗，發展學生真實學力，促進核心素養形成.基于以上觀點，筆者認為上述創新實驗能夠較好地促進對“做功可以改變內能”的認識.

參考文獻：

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（收稿日期：2020-11-22）