巧用家用料理机演示摩擦力做功

陈翠平

摘 要：在焦耳热功当量的实验中，让重物缓慢下落带动固定在转轴上的叶片旋转，叶片搅动水通过摩擦力对水做功，从而使水的温度升高。焦耳的实验理论上讲很容易理解，实际操作该实验却很困难。如果采用料理机的搅拌模式，直接让电机带动叶片搅动水做功，不仅可以达到相同的效果，同时还更便于操作和控制变量。

关键词：料理机 ;演示;摩擦力做功

在高中物理选修3-3第十章第一节内容《功和内能》中，焦耳的第一个代表性实验如下：将水装在绝热容器内，让两端的重物缓慢下落带动固定在转轴上的叶片旋转，叶片搅动水通过摩擦力对水做功从而使水的温度升高。多次实验测量表明：尽管重物的质量，下落高度，次数不同，但只要在重物下落过程中对水做功相同，水的温度升高量就相同，即系统的热力学状态变化相同。焦耳的这个实验原理很简单，从能量的角度来讲就是重物缓慢下落过程中，减少的重力势能通过摩擦力做功的方式转化成系统增加的内能。但实际操作中有两点实现起来很困难：

第一点：要恰好让重物缓慢下落很困难。每次必须保证重物重力在转轴上的力矩恰好等于水的摩擦力给叶片的力矩才能保证重物是缓慢或者匀速下落的。在实验的实践过程中，如果去调节这两个力的力矩恰好相等操作很困难，需要多次试验才能确定重物是否匀速下落。

第二点：实验过程很困难。理论数据来讲，如果让总质量为26.320kg的重物，每次下落160.5cm，连续下落20次，才能使1kg的水温度升高1.971℃。像这样大型的实验如果要作为演示实验，在教室里课堂上现场完成演示过程几乎不可能。

如果想要在课程中完成演示过程就需要寻找替代实验。随着科技的不断发展，现在的料理机功能很齐全。但所有的功能根据是否加热可以分为两大类：一类是只叶片搅拌不加热，如“冰沙”、“果汁”等模式;另一类是叶片搅拌并加热，如“豆浆”、“米糊”等模式。如果我们选取不具加热功能的“冰沙” 模式，只让叶片来搅拌水做功便可以模拟焦耳的这个实验，由原始实验中让重物下落带动叶片搅动水做功替换为让电机来带动叶片搅动水做功，共同点都是叶片搅动水通过摩擦力对水做功从而使水的温度升高。

笔者选用的是GUGE品牌的家用料理机，该料理机“冰沙”模式下每个搅拌周期均为90s。实验过程中，笔者让料理机采用“冰沙”模式，连续搅拌4个工作周期，300ml水的温测量依次显示如下图所示：

水的初始温度为26.0℃，一个搅拌周期后温度升高为30.1℃，两个搅拌周期后温度升高为34.1℃，三个搅拌周期后温度升高为38.4℃，四个搅拌周期后温度升高为42.4℃。

不管“冰沙”模式下电机带动叶片如何转动，但完全相同的模式下料理机默认转动方式是完全相同的。如果令叶片在一个完整的周期内搅动水做的总功为W0，那么完全相同的两个周期叶片搅动水做的总功必然为2W0，以此类推，三个周期，四个周期做的总功必然为3W0，4W0。

实验数据显示：第一次做功W0时，水的温度升高了4.1℃;第二次做功W0时，水的温度升高了4.0℃;第三次和第四次做相同的功时温度升高量分别为4.3℃和4.0℃。可见，只要每次对300ml水这一系统做相同的功W0，水系统的温度升高量在误差允许范围内是相等的。由此我们可以得出跟焦耳实验同样的结论：对热力学系统做相同的机械功，系统温度升高量相同，即系统热力学状态变化相同。

采用料理机搅拌模式来演示替代原始实验后有两大优势：

第一方面：讓料理机的电机带动叶片搅动水做功，完全的电子化。不用人为不断去调节力矩平衡的问题，现在只需要打开电源、调节到“冰沙”模式、开始启动电机工作就可以了，这使得本实验的可操作性明显增强的同时实验难度也大大降低。

第二方面：由于可操作性增强，可以在课堂上实际演示，学生可以通过实际的观察温度计示数的变化，真切的体验到如果对系统做机械功，系统的状态会发生变化;做相同的机械功W0，系统的状态变化量相同。同时给学生以情感态度价值的引导：平时生活中应该善于思考和利用身边常见的事物来服务于我们的学习和研究，就地取材方便又实用。

综上所诉，在课堂中完全可以利用家用料理机的“冰沙模式”搅拌水做功，来替代完成焦耳的代表性实验，这样既给我们的教学带来了科学性，也给学生的学习带来了乐趣性。

参考文献：

[1] 普通高中课程标准试验教科书 选修3-3 [M]人民教育出版社，2011（18）：50-51.

[2] 精准高考一轮总复习—物理[M]中国和平出版社，2017（6）：239-240.

[3] GUGE品牌多功能家用料理机使用说明书.