“做功改變內能”教具的可視化創新開發*

陳顯灶

(廈門市海滄區北附學校 福建 廈門 361026)

1 常規“做功改變內能”裝置的不足

做功和熱傳遞都能改變物體的內能.對物體做功時,物體內能增加,溫度升高;物體對外做功時,物體溫度降低,內能減小.人教版九年級教材用空氣壓縮點火儀和向燒瓶中打氣來完成“空氣被壓縮時內能增大”及“空氣推動塞子,內能減小”的實驗.

如圖1所示.在一個配有活塞的厚玻璃筒里放一小團硝化棉,把活塞迅速壓下去,讓學生觀察硝化棉發生的現象;此時硝化棉燃燒,說明空氣被壓縮時內能增大,溫度升高.

圖1 空氣被壓縮,內能增大

如圖2所示,燒瓶中盛有少量水,給瓶內打氣,當瓶塞跳出時,觀察瓶內的變化;當塞子跳起來時,可以看到瓶內出現白霧,水蒸氣液化成小水滴;說明氣體對外做功,溫度降低,內能減小.“空氣被壓縮時內能增大”實驗中使用的實驗材料硝化棉,屬于受公安部門管制的易燃易爆品,具有較大的安全風險.演示該實驗時,對硝化棉添加的量、按壓的力度與速度都有較高的要求,很難達到理想的實驗效果.

圖2 空氣推動塞子,內能減小

由于厚玻璃筒、活塞質量的參差不齊、容易老化等問題,使得該器材的循環利用率較低.“空氣推動塞子,內能減小”實驗中打氣次數和塞子跳起時機均無法控制,二者受周圍環境及塞子松緊程度的影響較大,隨機性較強.瓶中的白霧也很難被觀察到,實驗效果較為不理想.兩個實驗都屬于定性的演示實驗,不利于學生科學探究活動的開展[1].

針對以上不足,筆者將兩個實驗進行整合,利用數字化測溫方式,設計了 “做功改變內能”的可視化創新實驗教具.

2 做功改變內能的演示裝置的可視化創新設計

2.1 實驗材料

4～5 L透明塑料瓶,K型熱電偶線,電子溫度表,氣門嘴,支架,打氣筒,電腦數據線,計算機,酒精,細繩,熱熔膠槍,氣球,鮮花.

2.2 制作過程

(1)安裝氣門嘴.在塑料瓶蓋中央開一個與氣門嘴等大的孔,將氣門嘴擰入孔中,鎖緊螺絲,用熱熔膠內外密封,確保氣密性良好,如圖3所示.

圖3 氣門嘴安裝圖

(2)安裝測溫探頭.在塑料瓶底部中央開一個小孔,使K型熱電偶線的測溫探頭剛好能放入瓶內,測溫探頭在瓶內留1 cm左右,瓶外用熱熔膠密封,確保氣密性良好,如圖4所示.由于塑料瓶底部的正中央最為厚實,不易形變且耐高溫,是直徑較小的測溫探頭最佳安裝區域.

圖4 測溫探頭安裝圖

(3)將K型熱電偶線、電子溫度表、塑料水瓶組裝完成后固定于支架上,效果如圖5所示.

①支架;②測溫線;③電子溫度表;④電腦數據線;⑤氣門嘴;⑥透明塑料瓶;⑦測溫探頭

(4)用數據線將電子溫度表與電腦連接,調試軟件,實時顯示溫度及溫度變化曲線.

3 實驗過程及現象

本實驗將“對空氣做功,內能增大”和“空氣對外做功,內能減小”兩個實驗巧妙地進行組合,可同時進行這兩個實驗探究.向瓶中裝入少量酒精,可使白霧效果更明顯,然后擰緊瓶蓋;將瓶蓋用細繩固定,以避免氣體對其做功時獲得的速度太大,造成危險;用打氣筒通過氣門嘴向瓶中打氣,瓶內實時溫度不斷上升;連續打氣6次,擰松瓶蓋,瓶蓋迅速飛出,瓶內溫度降低,且白霧瞬間充滿瓶中;瓶蓋飛出前、后對比效果如圖6、7所示,電腦屏幕顯示的溫度變化曲線如圖8所示.

圖6 瓶蓋飛出前

圖7 瓶蓋飛出后

圖8 溫度變化曲線

根據溫度變化曲線可知,整個實驗過程中,瓶內溫度有6次是連續上升的,與之對應的則是6次對瓶內氣體做功.因此,外界對氣體做功時,氣體的溫度將會升高,內能增大.當瓶蓋飛出后,瓶內溫度快速下降,并瞬間產生大量的白霧.由于溫度下降,瓶內原有不可見的酒精蒸氣和水蒸氣便大量液化成白霧.所以,氣體對瓶蓋做功時,氣體的溫度將會下降,內能減小.從溫度變化曲線、大量白霧的生成及相應的實驗過程,學生可以定量地、快捷地得到 “對空氣做功,內能增大”和 “氣體對外做功,內能減小”的實驗結論.

當然,由于本實驗使用的塑料瓶體積較大,還可以向瓶內放入一些其他器材,以達到不同的教學效果.可以在瓶中放入一些顏色鮮艷的花朵,當瓶蓋飛出時,瓶內瞬間“霧滿枝頭”,達到“霧里看花”的奇特效果,從而增加實驗的趣味性.也可以在瓶內放入一個顏色較深、已吹足氣并扎緊的氣球,當向瓶內持續打氣時,氣球體積逐漸變小;擰開瓶蓋時,氣球體積又變大.學生可以根據氣球體積的變化得知瓶內壓強的變化,使得瓶內氣壓的變化可視化.

4 教學效果及優點

(1)用K型熱電偶電子溫度計進行數字化測溫,能夠定量研究“做功改變內能”實驗中溫度的變化特點,使溫度的變化可視化.同時,K型熱電偶電子溫度計具有小巧輕便、測溫精準、反應迅速、成本低廉、可循環利用等優點,可實現分組實驗探究.

(2)用5 L塑料瓶進行實驗現象演示,加大的實驗教具使白霧效果非常明顯,視覺沖擊力強.學生通過觀察瓶內的白霧和溫度變化特點,震撼之余,更能深刻理解“氣體對外做功,內能減小,溫度降低,使瓶內酒精蒸氣、水蒸氣液化”的實驗現象.同時,大體積的塑料瓶使得本實驗有更多可“玩”的空間,可以向瓶內放入顏色鮮艷的花朵或氣球,以強化實驗效果和增加實驗的趣味性.

(3)在探究“對空氣做功,內能增大”時,可用不同力度、不同速度向瓶內打氣,進行多次實驗,使結果更具有普遍性、嚴謹性.

(4)將“做功改變內能”的兩個實驗進行一體化整合,用一套教具完成兩個實驗,整體性強,安全可靠.使學生對“做功改變內能”的認識更加系列化、結構化.

5 結束語

物理是一門以實驗為基礎的自然科學,所有的情境都應當來源實驗事實[2],演示實驗的可視性便顯得尤為重要.基于可視化的實驗創新教具可以幫助學生更好地理解“做功改變內能”的實驗結論和本質內涵[3-4].本實驗運用數字化測溫工具,將定性的實驗現象定量測量,使實驗過程和實驗結果可視化,讓學生從實驗現象、溫度變化曲線多角度對比理解抽象的知識,利于知識的內化提升.