“熱對流”實驗創新

原實驗不足之處

在認識液體熱對流現象的實驗中，教材上的兩個實驗是使用酒精燈分別加熱試管和燒杯里的水，需要的器材較多，而且需要安裝調試鐵架臺和試管類，穩定性和安全性不高。此外，試管里的熱對流現象不明顯，導致學生無法很好地理解熱對流的本質。

在電茶壺的啟發下，我引入了陶瓷電加熱片，并設計了相應支架，組成了安全、穩定、高效、直觀的電加熱片熱對流實驗套件（設計圖如圖1）。

實驗材料

陶瓷電加熱片、直流電源（15 V）、溫度計或電子溫度計、溫度計支架、燒杯（250 mL）、色素、記錄單等。

實驗制作

支架承擔著裝載加熱片和多支溫度計的作用，可以很方便地調節加熱片和溫度計的高度。這里采用有一定厚度的有機玻璃作為支架主體，通過用小夾子夾在加熱片和溫度計的位置，實現其工作高度的調節。

根據常用的250 mL燒杯的杯口大小，將有機玻璃切割出如圖形狀（如圖2），不做成圓形全蓋，而是在兩邊留空，方便滴加色素，觀察水的流動。弧形邊緣用AB膠再粘一層有機玻璃，使支架外沿凸起，這樣可以卡住杯口，防止移動。按照圖2的位置在有機玻璃上鉆出四個孔，一側的單孔直徑要略大于加熱片塑料管的直徑。放置溫度計的三個孔直徑要略大于溫度計的直徑。四個孔呈弧線排列，與杯內壁留有相同的距離，避免插入的溫度計觸碰燒杯內壁。

將電加熱片的導線穿入空塑料管內，調整電加熱片角度直至與塑料管垂直；使用小號塑料夾分別調整和固定電加熱片和溫度計的工作高度，確保裝置穩固后即完成制作和準備工作（如圖3）。

實驗步驟及效果

每組用燒杯裝取220 mL的水備用。

放置加熱設備：各實驗小組分別選擇將電加熱片放置于水的上、中、下三層位置，并將電加熱片的兩條導線和電源上的鱷魚夾相連。此時，電源處于關閉狀態。

放置溫度計：各組將三支溫度計插入燒杯口的支架，調整高度使其能分別測出被加熱水的上、中、下三層的溫度。

各組同時接通電源，使用15 V直流電源開始加熱，每隔兩分鐘記錄一次各水層的溫度（如圖4）。

加熱過程中往杯里滴加色素，觀察水在受熱過程中的流動情況。通過色素可以看到水受熱向上流的過程，同時周圍較冷的水向下流動（如圖5）。

持續加熱8分鐘后關閉電源，結束實驗操作，整理實驗數據，根據折線統計圖總結規律。

實驗優點

這套實驗材料采用電加熱片，在直流電源下可以快速加熱水，還通過支架放置三支溫度計，讓加熱片和溫度計的高度可以通過卡扣輕松調節。組裝完成后，不用長時間用手持溫度計測溫度變化，便于學生操作。通過色素，學生能很明顯地看到冷熱水的分層現象，加上對不同水層溫度的監測，使該實驗不僅能給他們帶來視覺上的沖擊，更有數據上的支撐。這種流動現象僅僅發生在加熱片的上面，而在加熱片下面，沒有水向上流動，加熱片上面的較熱的水也不會向下流動，出現了明顯的分層現象。

由于五年級數學課剛好學過折線統計圖，學生很自然地采用折線統計圖反映溫度的變化趨勢，他們也具備相應的繪圖能力。實驗數據的圖形化能幫助學生進行更直觀的對比，加熱效果一目了然，這樣的實踐也使學生更加認識到了數據采集和統計圖的重要意義。

實驗改進后，學生有了對不同水層溫度上升數據的理性分析，有了對對流過程的動態觀察，還有了對冷熱水分層的靜態畫面比較，他們能更深刻地理解熱對流現象的成因。