初中物理实验：机械能与内能相互转化实验研究

陈士元

每一名从事初中物理教学的教师，在机械能与内能的相互转化章节教学中都要做两个物理演示实验，但要顺利完成这两个实验也许或多或少存在一些困难。各种教学资料中有关这两个物理实验特别是关于空气压缩引火仪的论述很多，但大多是从物理教学的需求来研究的，重点是如何使用器材，而笔者是从实验管理员的角度，着眼于器材制作和功能，重点是如何确保器材在实验中能正常使用，保证实验效果，从而为实验教学提供保障。

一、内能转化为机械能—酒精蒸汽爆炸装置

苏科版初中物理教材第十二章第四节《机械能与内能的相互转化》中的实验：演示点火爆炸—将内能转化为机械能，教材中有一张装置图片，但实验室没有现成的成套器材，需要自制。

制作材料：电子点火枪、塑料盒、5号电池、电烙铁。

材料来源：电子点火枪从液化气加气站门市部购得，每把15元左右(饭店多灶头点火工具)；塑料盒可用照相馆的废弃胶卷盒，其他塑料盒也可以，但盒体和盖配合应是压扣式而不是螺旋式。

制作方法：自制该实验装置主要是模仿教材中的设计，但教材中的文字叙述存在一些问题，如“在透明塑料盒的底部钻一个孔，把电子式火花发生器的放电管紧紧地塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入数滴酒精，再将盒盖盖紧，然后按动电子火花发生器的按钮。你观察到什么现象？”

问题1：钻这个孔需要选用多大直径的钻头？

问题2：如何确保孔和放电管紧密配合？

问题3：滴入数滴酒精？是2滴还是3滴或是更多？

问题4：观察到什么现象？是用眼睛来观察吗？这与塑料盒透明有关吗？

笔者的做法是：用烧热的电烙铁在盒盖上烫一个孔，趁孔的四周塑料还是柔软时就将放电管塞进去，这样孔的大小和放电管就匹配了，冷却后虽有间隙但不会影响实验效果，不必“紧紧地塞进孔中”。酒精量的控制为，不管滴入多少酒精，摇晃几下塑料盒，然后将盒底朝上倒掉多余的酒精。如果一定要说量的多少，应是用滴管滴2～3滴。做演示实验前在盒外试一下电子枪，观察有没有电火花，也就是说电子枪是否正常。塑料盒盖上盖子后，一只手拿电子枪，另一只手握住塑料盒，将其加热一下，这一步很重要，因为我们点燃的是酒精蒸汽，用手掌加热一下塑料盒是为了加快酒精的蒸发，等待5～10秒，让盒内的酒精基本变成酒精蒸汽，这时就具备了点火条件，按动按钮就行了。

确保实验成功的条件有两个：一是电火花正常，如果是用打火机改装就无法确保电火花强劲和稳定；二是酒精蒸汽的浓度达到爆炸要求(参数为：爆炸极限浓度3.5%～18.0%(V/V))。由于爆炸是在瞬间完成，学生基本上是听到爆炸声。

二、做功改变物体的内能—空气压缩引火仪

苏科版初中物理教材第十二章第四节《机械能与内能的相互转化》中的实验：空气压缩引火仪。这一实验是物理传统实验，各种版本的教材上都有，有成熟的产品可供采购，也有很多关于它的使用和改进的好建议，但笔者认为要研究它，还是从仪器说明书入手比较好。

空气压缩引火仪说明书中的使用方法：取绿豆大小的普通棉花，置于活塞端部，盖好简盖，用手心按住手柄，用力将活塞快速一压使气缸内空气骤然压缩，即可看到棉花燃烧发光的现象，并有白烟。当再做实验时，应先排除气缸内废气吸进新鲜空气。

注意事项：(1)演示时棉花不宜放得过多，用量以绿豆大小为宜。(2)活塞应保持含油状态，否则会干裂老化。(3)使用前在活塞上涂上油脂(蓖麻油或清洁机油)。(4)使用后应擦去气缸内的污物。

疑问1：绿豆大小是压紧的还是疏松？

疑问2：快速一压有多快？力气小的女教师能行吗？

疑问3：活塞应保持含油状态，活塞上的橡胶圈应该这样保管吗？

疑问4：使用前在活塞上涂上油脂，这个方法对吗？

笔者的操作方法：引火仪圆筒内壁要保持干燥、清洁。不能有油渍，必要时要用布条擦拭。硝化棉用量不是绿豆大小而是要将硝化棉撕开，取薄薄的一小块，有半个指甲盖大小就行，若论质量应是毫克级，类似于一片小雪花。实验操作分三步：第一步，用专用清洁棒将硝化棉推至空气压缩引火仪圆筒的底部。再将压缩杆放入圆筒，旋转圆筒盖子。第二步，竖直放好空气压缩引火仪，将压缩杆向下试压一下，再拉起3 cm左右。第三步，用手掌对压缩杆用力一拍，实验就成功了。

为什么不能使用油脂？橡胶及其制品在加工、贮存和使用过程中，由于受内外因素的综合作用而引起橡胶物理化学性质和机械性能的逐步变差，最后丧失使用价值，这种变化叫做橡胶老化。表面上表现为龟裂、硬化等。橡胶老化的因素：氧、臭氧、热、光、机械应力、水分、油类等。

如何做一根空气压缩引火仪专用清洁棒？教师在使用空气压缩引火仪中往往存在这样的问题：放入圆筒内的硝化棉或火柴头没有点着，由于受到挤压又很难倒出。多次积累后会影响后面实验的成功率。怎样清除？笔者做了一种专用清洁棒，它的顶端是楔形刀口，这个楔形刀口具有挖掘功能，能将压紧的物品挖松，从而使之轻松地倒出来。怎样制作这个清洁棒？可以利用旧的实验器材微小压强计中的金属棒，这个金属棒长度、粗细和硬度正好合适，利用砂轮机斜斜地磨去金属棒顶端的一部分而形成楔形，由于尖端在圆棒的边缘呈圆弧形，方便对圆筒内壁的污垢进行清洁，不过楔形的边缘要用磨刀石修整光滑，以防损伤圆筒内壁，用一块薄布裹在金属棒上沾些酒精就能将圆筒壁擦拭干净。

如何制作硝化棉？(1)仪器、药品：浓硝酸，浓硫酸，大号磨口试剂瓶及磨口塞，玻璃棒，大号镊子。(2)配置混酸：在大号的磨口试剂瓶中加入浓硝酸:浓硫酸=1:3～4(V/V)，注意要把硫酸倒入硝酸中，防止溅洒，混合后用玻璃棒轻轻搅拌或微微晃动瓶身，盖上玻璃塞冷却至室温备用。(3)硝化：要慢慢加，棉花不要加太多，刚好能被混合酸完全浸泡即可，将脱脂棉一小块一小块地加入混合的酸液中，同时用玻璃棒将其间的空气泡挤出，最后使瓶中留有5 mm的酸液层(被硝化物不要露出酸液表面)，泡1～2小时。(4)清洗：大号镊子取出硝化棉，用大水冲洗至闻不出酸味，晾干即可。(5)保存：装入高密度聚乙烯瓶(平时装固体化学药剂的容量瓶)，外部套上黑色塑料袋，干燥、阴凉保存。(6)质量鉴定：点燃，强棉只会留有微量残渣，无酸味。硝化棉会自行分解，长期存放时要定期检查变质状况，可以取少量硝化棉点燃，闻闻燃烧后的烟气酸味重不重，若有强烈的刺激性酸味，则质量不好，但轻微变黄并不影响使用。

以上实验研究起源于教师的抱怨，一位说三个班使用电子枪，只有一个班响了，能不能响要碰运气。另一位说两个实验全部失败了，抱怨器材有问题，影响了教学。失败的原因是器材还是操作方法呢？笔者认为器材是基础，操作是关键。实验室管理员要帮助教师熟悉器材，提高操作技能。