热传递可视化实验设计

张春斌,王妍琳

(1.深圳实验学校 高中部， 广东 深圳 518055;2.六约学校，广东 深圳 518173)

由于热传导及热对流2种热传递的方式也比较抽象,在实际教学中，教师需要通过实验增加学生的感性认知，将抽象的内容可视化，从而更加形象生动地传授知识.

1 热传导可视化实验

教材中的热传导实验是采用蜡滴将火柴粘在金属丝上，观看火柴掉落的先后顺序来推断热量的传递方向. 实验存在以下不足：1)蜡滴涂得不同，可能导致实验失败；2)只能看到这几个点的变化，不能将整个热传导过程呈现出来；3)蜡滴融化后滴在桌上，难以清洗，若不慎滴在手上会烫伤；4)金属丝需加热到极高温度，才足以使另一端的火柴掉落，实验存在安全隐患.

1.1 用感温变色指甲油实现热传导的可视化

1)热在钢尺中的传递过程和方向

实验材料:感温变色指甲油1瓶(常温下绿色，当温度达到45 ℃时变成黄色)，钢尺1把，玻璃杯，温水，酒精灯.

实验过程:将感温变色指甲油涂在钢尺上，将涂有变色指甲油的钢尺一端浸在热水中，观察钢尺颜色的变化. 热水一端立即由绿色变成黄色，随后黄色由浸没在热水的一端逐渐扩散到钢尺顶部(如图1所示)，可以看出热从温度高的一端传递到温度低的一端. 将涂有变色指甲油的钢尺中间加热，观察指甲油颜色的变化，中间加热部分立即由绿色变成黄色，随后黄色由中间逐渐扩散到钢尺两端[如图1(b)的示]，即可以“看到”热量从温度高的部分传递到温度低的部分.

(a)钢尺一端浸入热水中 (b)从钢尺中间加热图1 钢尺的热传导

1.2 热在铁盘中的传递过程和方向

实验材料：涂感温变色指甲油的铁盘，酒精灯.

实验过程：用酒精灯给涂有温变指甲油的铁盘边缘加热，观察颜色的变化. 加热的一端立即由绿色变成黄色，随后黄色由点逐渐扩散到周围[如图2(a)],可以“看出”热从物体温度高的部分传递到温度低的部分.

将涂有变色指甲油的铁盘中间加热，观察颜色的变化，中间加热部分立即由绿色变成黄色，随后黄色由中间逐渐扩散到周围[如图2(b)所示]，可以看出热从物体温度高的一部分传递到温度低的另一部分.

(a)加热铁盘一端 (b)加热铁盘中间图2 铁盘加热时热传导

1.3 铜铁铝的传热性能对比实验

实验材料:涂有感温变色指甲油且大小形状相同的铜棒、铁棒、铝棒各1根，1杯热水.

实验过程:将涂有感温变色指甲油的铜棒、铁棒、铝棒插入热水中，浸没相同的高度. 可以看到靠近热水一端的指甲油慢慢变成黄色，并逐渐向上扩散[如图3(a)所示]，铝棒颜色变化最快，铜棒次之，铁棒最慢[如图3(b)]. 由实验可知，铝的导热性比铜强，铜的导热性比铁强.

(a)3根金属棒插入热水中 (b)最终变色对比 图3 铝棒、铜棒、铁棒导热性能对比图

1.4 注意事项

1)感温变色指甲油的选择：根据实验需要，选择约45 ℃左右变色的指甲油较为适宜.

2)由于采用45 ℃温变指甲油，因此无需采用沸水(60 ℃左右即可)或长时间加热(10s左右即可)，以免烫伤或引燃指甲油.

2 热对流可视化实验

2.1 传统实验不足

文献[2]记载的方法是加热水，观看水中木屑的运动. 实验存在问题为：加热慢，需要等待很长时间；一大杯热水，存在安全隐患；难以看到热对流的循环路径.

2.2 热对流的可视化实验

实验材料：利用有机玻璃板制成的装置、蜡烛、蚊香、打火机.

实验过程:切割有机玻璃板，组成正方体形盒子，中间隔开但不隔到底部，上下面通透，后面贴着黑色纸板，以方便清晰地看到白色的烟雾.

在右下方放置1根点燃的蜡烛，蜡烛与中间隔板下方空隙等高. 在左上方放着点燃的蚊香，即可以看到左边的烟向下飘，再从右边向上升，由此可以观察到热对流现象，如图4所示，为了让实验现象更加明显，可以在蚊香上滴1点蜡油，这样烟会很浓.

(a)截面示意图 (b)实物图图4 热对流实验装置