测量温度的STEM探究活动案例分析①

(江苏省海门市海南中学,江苏 南通 226100)

1 问题的提出

对温度的认知、了解是人类认识自然的一项重要技能。了解温度对人类生活的影响,通过测量温度来提高生产生活的效率，是人们需要学习的生活技能，例如食物加热到多少度才能煮熟？使用智能手机时,当手机温度超过多少度时需要引起人们的警觉,以免引起爆炸等事故？关于我们自己的身体,多高温度为合适的体温？游泳池保持多少摄氏度的水温才是最合适的？常用的体温计的原理是什么？如何使用？作为初中学生,我们能否就温度的测量做一些探究？

2 调查分析和活动体验

2.1 体验生活中的温度

教学目标:用电子温度计测量温度,熟悉生活中的各种物体的温度。

器材:为了便于观测,用网上购买的电子温度计进行测量。

优点:通过使用可以发现,电子温度计携带方便,带有探头,测量、显示温度速度快,精确度高,适合于自动观测记录数据的场合。

缺点:该电子测温仪测量范围有限,不能测量较高的温度,比如煤气灶火焰的温度等。

用电子温度计测量一些常见的温度值:(1) 停放在户外的汽车内外温度；(2) 空调房间内外温度；(3) 冰箱内外温度；(4) 体温；(5) 煮熟的米饭的温度；(6) 鱼池水温；(7) 游泳池的水温。

本节课通过温度的测量活动，让学生了解了身边环境的温度,使他们对于温度的概念有感性的认识,为后续学习打下基础。

2.2 认识更多测量温度的工具

教学目标:让学生认识更多的测温仪器,并了解学习其中常见的几种测温仪器的使用方法。

了解生活中测量温度的工具,学习使用方法。例如:普通温度计、体温计、红外线测温仪、电子温度计、固体温度计等(如图1)，让学生学习了解各种温度计的使用方法。

图1

学生利用网络搜索资料,整理出部分温度计家族成员。

(1) 气体温度计:多用氢气或氦气作测温物质,因为氢气和氦气的液化温度很低,接近于绝对零度,故它的测温范围很广。这种温度计精确度很高,多用于精密测量。

(2) 电阻温度计:分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计,都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。电阻温度计使用方便可靠,应用广泛。它的测量范围为-260℃至600℃。

(3) 指针式温度计:是形如仪表盘的温度计,也称寒暑表,用来测室温,是利用金属的热胀冷缩原理制成的。

(4) 玻璃管温度计:玻璃管温度计是利用热胀冷缩的原理来实现温度的测量的。由于测温介质的膨胀系数与沸点及凝固点的不同,所以我们常见的玻璃管温度计主要有:煤油温度计、水银温度计。其优点是结构简单,使用方便,测量精度相对较高,价格低廉。缺点是测量量程和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制，且易碎。

(5) 压力式温度计:压力式温度计是利用封闭容器内的液体,气体或饱和蒸汽受热后产生体积膨胀或压力变化作为测量信号。它的基本结构是由温包、毛细管和指示表三部分组成。压力式温度计的优点是:结构简单,机械强度高,不怕震动，价格低廉,不需要外部能源。缺点是:热损失大，响应时间较长。

2.3 收集资料,了解温度测量的历史以及两种主要的温度测量标准

教学目标:(1) 了解温度测量的历史。(2) 知道两种生活中常见的温度标准：摄氏温标,华氏温标。

学习资料:温度计的发展史。

温度计在1593年由意大利科学家伽利略发明，他的第一只温度计是一根一端开口的玻璃管,另一端带有玻璃泡。使用时先对玻璃泡加热,然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化,玻璃管中的水面就会上下移动,根据移动的多少可以判定温度的变化和温度的高低。

后来伽利略的学生和其他科学家,在这个基础上反复改进,如把玻璃管倒过来,把液体放在管内,把玻璃管封闭等。比较突出的是法国人布利奥在1659年制造的温度计,他把玻璃泡的体积缩小,并把测温物质改为水银,具备了温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水银作为测量物质,制造了更精确的温度计。他观察了水的沸腾温度、水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度;经过反复实验与核准,最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0℉,把纯水凝固时的温度定为32℉,把标准大气压下水沸腾的温度定为212℉,用℉代表华氏温度,这就是华氏温度计。

华氏温度计制成后又经过30多年,瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度,他把水的沸点定为0度,把水的冰混合物的温度定为100度。后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来(即沸点为100度,冰水混合物为0度),就成了百分温度,即摄氏温度,用℃表示。

包括中国在内的世界上很多国家都使用摄氏度作为计量单位,美国和其他一些英语国家主要使用华氏度作为计量单位。

2.4 动手做一做,制作一支温度计

课时目标:(1) 通过实验探究,知道液体具有热胀冷缩现象。(2) 设计出能初步测量温度高低的简易温度计。(3) 通过比较,了解到制作温度计的最佳器材组合。(4) 制作出一把能测量温度的温度计。

制作器材:橡皮塞、打孔器、粗细不同的玻璃管、大小不同的玻璃瓶、红墨水等。

制作方法:用打孔器给橡皮塞开孔,将细玻璃管插入橡皮塞中,在玻璃瓶内灌满水,用橡皮塞塞住瓶口,一个简易温度计就做成了。

制作心得:给橡皮塞开孔难倒了很多同学,虽然有开孔器帮忙,但是一开始没有掌握要领,没有用水润滑,开孔费了好多劲,后来在老师的帮助下,顺利完成了。

2.4.1 体验液体的热胀冷缩现象

将装有自来水的瓶子直接放入热水中,发现水柱上升,但是不易观察。

师:同学们有什么好的建议？

生:可以在瓶中滴入红墨水,以便于观察液柱变化。

图2

制作中感悟:如果瓶中只放入水的话观察水柱上升情况不太明显,应该在水中加入几滴红墨水。如图2所示，将瓶子放入热水中会观察到,红色液柱会迅速上升,从热水中取出后,管内的液柱又明显下降了。

2.4.2 比较管子长短对测量结果的影响

准备两个大小一样的瓶子,插入瓶中的玻璃管粗细相同。

师:过段时间后观察,发现什么？

生:短玻璃管中的水很快溢了出来。

师生总结:通过实验知道,短玻璃管中的水柱上升一段后会溢出管外,所以长管子制成的温度计能测量更大范围的温度(量程大)。

2.4.3 比较管子粗细对测量结果的影响

准备两个大小一样的瓶子,将粗细不同的玻璃管插入瓶中。

师:将两个瓶子同时放入热水中观察,发现了什么？

生:在细玻璃管中液柱上升得快。

师:说明什么？

生:思考后回答,细玻璃管的反应比较灵敏,测量结果更准确。

师生总结:通过实验发现,细玻璃管中的液柱上升较快,粗玻璃管中的液柱升高缓慢,由此可知,细玻璃管的分度值大,测量结果更精确,而粗玻璃管的液柱上升缓慢,制成的温度计可以有较大的量程。

2.4.4 比较瓶子大小对测量结果的影响

师:把粗细相同的玻璃管插入大小不同的瓶子,同时放入热水,观察瓶中的液柱上升情况。请大家猜想一下,可能哪个会升高得快一点？

生:有人说小瓶子,也有人说大瓶子中液柱上升得快。

实验验证:把粗细相同的玻璃管插入大小不同的瓶子,同时放入热水,发现大瓶子中的液柱快速上升。

师:说明了什么？

生:讨论后总结得出,反映出大瓶子的灵敏度较好,可制成分度值较大的测温仪器；而小瓶子中的液柱上升较缓慢,可以制成量程较大的温度计。

2.4.5 总结

(1)应该用小瓶子(量程大、携带方便)、又细(灵敏、分度值大)、又长(量程大)的玻璃管制作温度计。

(2)不同液体的热胀冷缩特性不同,煤油温度计的灵敏度更高一些。

2.4.6 按照摄氏温度标准标刻度

师:实验中插有玻璃管的小瓶子能直接测量温度吗？

生:不能。

师:还缺什么？

生:还缺刻度,有了刻度才能准确测量物体的温度。

师:怎么标刻度呢？大家找找相关资料。

生:摄氏温标规定,利用冰水混合物和沸水,给温度计定好0度和100度的刻度,然后再将其划分为100等份,标出刻度。

设计与制作:根据以上步骤,进行温度计的制作。

试测与优化:试测温水、冷水、冰块的温度。

发现问题:(1) 制作的温度计在0℃以下无法进行测量；(2) 温度计反应不灵敏。

优化措施:(1) 按照0℃-100℃的间距标准,在0℃的下方继续标注刻度,这样就可以测出0℃以下的温度。(2) 更换更细的玻璃管,瓶子稍大一些,可适当增加量程和分度值。(3) 更换瓶内液体,换成酒精或煤油进行实验。发现灵敏度比水要好很多。经查阅资料发现：酒精的沸点为78℃,不适合测量热水的温度,最后确定用煤油来替代水作为测温液体。

展示与评价:小组合作交流展示,教师用标准温度计测出水槽中水的温度,各小组学生代表用自己制作的温度计来进行测量,根据测量的精度评选出优胜奖。

拓展与应用:在实验过程中,有学生提出,既然可以利用液体的热胀冷缩现象制作温度计,那么空气有没有热胀冷缩现象呢？能否仿照液体热胀冷缩现象制作一个气体温度计呢？

实验探究:把瓶子中的水倒掉,在细管中留有一段水柱,当用橡皮塞塞紧瓶口,用手捂瓶子的时候,发现小水柱快速上升(如图3)。

图3

图4

结论:空气的热胀冷缩现象更加明显,但此装置也存在一些问题需要改进。小水柱上下浮动太厉害,手捂时间稍长就飞出了管口。引导学生讨论,怎么解决这个问题？上网查阅资料，改进制作。

学生汇报:(1) 用菜籽油代替小水柱进行实验,因为油具有黏滞性,可以更好地观察小液柱的上下浮动情况;(2) 可以采用如图4所示的方式,将此空气温度计倒置在水中进行实验,通过观察水柱高低来表示温度高低。