“熱成像技術”在初中熱學實驗教學中的應用

王紹剛 向優生 胡愛華

(1. 重慶市九龍坡區教師進修學院，重慶 400050；2. 重慶市禮嘉中學，重慶 401122；3. 重慶市田家炳中學，重慶 400050)

1 研究背景

熱成像技術是指利用紅外探測器和光學成像測試被測目標的紅外輻射能量分布圖，把不可見的物體發出的紅外能量轉化為可見的熱圖像，通過手機或電腦顯示。根據物體表面的輻射特點，可以用熱成像技術來觀察初中階段一些教學實驗的溫度變化和熱分布情況。現行教材主要借助液體溫度計進行實驗，其測溫的缺點是可視性差和操作復雜，因為它要和被測液體達到熱平衡才能讀出溫度，并要記錄多個溫度變化，同時實驗往往還需要兩支溫度計同時進行對比測量，既影響實驗教學效果，又會干擾學生對知識的理解和對實驗現象的判斷。而熱成像儀可以同時對多個實驗對象進行成像測量，物體溫度的差別及變化能夠得到直觀呈現。將熱成像技術引入初中熱學實驗教學，有效地提升了學生的學習興趣，大大簡化了實驗測量的步驟。

2 實驗過程

2.1 探究不同物質的吸熱本領，研究電流的熱效應

在探究不同物質的吸熱本領時采用相同質量的水和食用植物油，裝在相同型號的試管中，固定在支架上，在長方體玻璃水缸內緩慢加入燒開的水對兩個試管內的液體同時進行水浴加熱，熱源使用電加熱器。實驗操作過程為：將電熱水壺燒開的熱水倒入玻璃槽中，水浴加熱試管中的液體，打開熱成像儀進行熱成像。教學中可以采用教室投影儀投影展示，效果極佳。

2.2 利用萘模擬“霧凇”的凝華

實驗采用家里用的樟腦丸(主要成分為萘)，將其研磨成粉末狀，然后裝在圓底燒瓶中，將松枝根莖固定在橡膠塞的一端，加熱圓底燒瓶使得晶體萘熔化成液體并隨之汽化成萘蒸汽。通過熱成像發現晶體萘從圓底燒瓶底部吸收了大量的熱量，當燒瓶中萘蒸汽較多時還會出現大量的高溫萘蒸汽，其整體熱成像圖像的顏色也較深(圖1)。

圖1

2.3 萘凝華實驗

在燒瓶底部看見有明顯的“冰晶”，是萘蒸汽遇冷凝華形成的(圖2)，并且“冰晶”形成在容器的內壁。如圖3所示，取出松枝，在松枝枝葉的表面凝結了大量的”小冰晶”，和霧凇的形成原理相同。通過本實驗，可以在教學中突破“升華、凝華”吸放熱的教學難點，為教師形象直觀地演示“升華、凝華”實驗提供了思路，“熱成像技術”直觀地顯示了萘在發生升華和凝華過程中的溫度變化特點，可以直接分析出熱傳遞的方向以及判斷“物態變化過程中吸放熱的情況”，增強了實驗的趣味性，同時激發了學生探索的欲望。

圖2

圖3

3 利用熱成像儀探究不同物質的吸熱本領

初中熱學部分內容在中考物理試卷中主要體現在：比熱容、熱傳遞、內能的概念等知識的理解和計算。

教材中探究比熱容定義式的實驗應用了兩種控制變量法：(1)用兩個相同的酒精燈(或相同規格的電加熱絲)加熱相同質量的煤油和水，比較吸收相同熱量時煤油和水哪個溫度升高得更多。(2)相同質量的煤油和水升高相同的溫度，比較哪個加熱的時間更長？即哪個吸收的熱量更多？

如圖4所示，對相同質量的水和煤油同時用水浴法加熱，實驗中進行15分鐘的加熱和15分鐘的放熱，每隔5分鐘觀察一次實驗現象，并進行熱成像記錄。裝置左側試管裝的是水，右側試管裝的是煤油，加熱前水和煤油的初溫和質量相同，使其吸收相同熱量，每張圖中左側試管呈“淺粉色”，右側試管呈現“深紅色”，煤油在各個時刻的熱成像圖像中顏色都“較深”，實驗結果表明煤油溫度上升的速度大于水，可見水的吸熱本領比煤油大。

圖4

實驗結果表明，基于“熱成像技術”的“探究不同物質吸熱本領”實驗能清晰直觀地在教學中反應溫度的變化和分布情況，得出“不同物質吸熱本領不同”的結論，同時該方案也是對傳統教學實驗的創新改進。在“探究焦耳定律”實驗中，研究電流通過導體時產生的熱量與什么因素有關，傳統教學實驗建議采用轉換法，通過觀察U形管液面的高度差來比較通電導體放出熱量的多少。而采用熱成像圖可直接觀察顏色的深淺來判斷溫度的高低和放出熱量的多少，有效地減少了因為裝置氣密性不好對實驗結果造成的影響，實驗操作更簡捷，實驗結果可靠性更高。

4 結語

基于“熱成像技術”的初中熱學實驗可以直觀地顯示所要對比的溫度的變化和分布，圖像顏色的差異觀察比溫度計示數的讀數更加方便與快捷。本文為熱成像技術在“探究不同物質吸熱本領”“探究晶體凝華的吸放熱情況”和“熱傳遞方向”的教學提供具體的實驗實施方案，熱成像技術具有廣泛的初中實驗教學應用前景，這種實驗手段的融入有助于吸引學生的注意力，提升學生學習的樂趣，激發他們的創造創新熱情，在實際教學過程中顯示出了很好的效果，具有廣闊的推廣前景。