“由体验伽利略温度计到制作液体温度计”的教学设计

浙江省台州市教育局教学研究室(318000) 苏爱娣

浙江省台州市白云中学(318000) 金满林

1 案例纲要

1.1 教学对象

作为初中科学必修内容 “温度计”的课外拓展课程案例,供部分感兴趣的学生选修,学生活动时间和场所均在必修课堂之外且不作为考试内容。

1.2 教师指导

提供安全的场所和器材,组织开展小组活动,指导学生安全科学地开展制作活动,启发学生思考、讨论和改进。

1.3 学生评价

重在活动过程,在活动过程中跟进评价,关注学生的动手、动脑的能力。

2 活动目标

(1)通过温度计的制作,进一步理解温度计的工作原理。

(2)通过制作并改进温度计,提高把科学知识转化为技术产品的思维。

(3)感受温度计的不断发展过程,体验科学知识与技术的结合,感受团队合作及动手解决问题的乐趣,激发创新热情。

3 活动过程

3.1 活动一：体验“伽利略温度计”

3.1.1 资料链接

伽利略温度计,是意大利科学家伽利略基于气体热胀冷缩原理研制的用于测量温度的工具。1593年,伽利略发明空气温度计,这种气体温度计是用一根像麦秸那么粗的长玻璃管制成的。它的一端制成空心圆球形,另一端开口。事先在管内装进一些带颜色的水,并将这一端倒插入盛有水的容器中,如图1所示。在玻璃管上等距离地标上刻度,这样当外界温度发生变化时,玻璃球内气体发生膨胀或收缩,玻璃管中水位也发生相应的变化。

图1 伽利略温度计

3.1.2 实验器材

实验器材如图2所示。

图2 活动一器材

3.1.3 制作步骤

(1)在矿泉水瓶中装上半瓶水,滴入几滴红墨水染色,再用注射器针头在矿泉水瓶的中上部刺几个小孔,使瓶内空气与外界相通。

(2)将注射器针头插穿与小塑料瓶配套的单孔橡皮塞,如图3(a)所示。再在针头的后端套上一小段橡皮管后,将橡皮塞与细玻璃管相连,制得如图3(b)所示的装置。

(3)将第(2)步制作的橡皮塞与塑料瓶相连并塞紧瓶口,如图4(a)所示。在各连接处涂上凡士林密封后,再将其与矿泉水瓶及配套的单孔橡皮塞相连,并将玻璃管的下端伸入到细墨水液面以下,制得如图4(b)所示的装置。

(4)用注射器连接橡皮管,拉动注射器,使红墨水上升到一定的高度,用小夹子夹紧橡皮管,拿走注射器,制作成如图4(c)所示装置。

(5)用手捂住小塑料瓶,如图5所示。观察红色液柱的高度变化,感受气体温度计对温度变化的敏感性,体验“伽利略温度计”的工作原理。

图3 连接针头、橡皮塞和细玻璃管

图4 组装伽利略温度计

图5 体验伽利略温度计

3.1.4 思考与讨论

“伽利略温度计”在制作和使用过程中有什么不足之处,如何给该温度计标注刻度。

3.2 活动二：改进“伽利略温度计”

3.2.1 实验器材

实验器材如图6所示。

图6 活动二器材

3.2.2 制作步骤

(1)在烧杯中倒入热水,并置于三角架的石棉网上,用酒精灯加热。

(2)在小药瓶中装入约2/3容积的水,滴几滴红墨水染色。将配套的橡皮塞和细玻璃管连接,塞紧小药瓶时,细玻璃管内的红色液柱自动上升到一定的高度。

(3)用剪刀剪一小截标签纸,在与液面相平的细玻璃管处贴上一圈,作为室温的标记,如图7所示。

图7 标注室温刻度

(4)待烧杯中的水加热至沸腾后,将小药瓶放入烧杯中加热几分钟后(见图8),在细玻璃管上与液面相平处贴上标签纸作记号,作为沸水的温度(1标准大气压下,沸水的温度为100 ℃)。根据温度计刻度是均匀的特点,量出2 个标签纸之间的距离,通过计算即可均匀标出细玻璃管上的其他温度值。

图8 标注沸水刻度

3.2.3 思考和讨论

该温度计的原理是什么? 解决了“伽利略温度计”的哪些不足之处? 在制作或使用过程中仍然存在哪些不足之处?

3.3 活动三：制作液体温度计

3.3.1 资料链接

伽利略的空气温度计虽能测定温度,但人们发现它的测定结果并不精确,玻璃管中的水位高度不仅受到容器中空气温度的影响,而且还受到大气压强的影响。也就是说,即使温度不变,在不同气压环境下细玻璃管内的液面高度也会有差异。

3.3.2 制作步骤

(1)在活动二的基础上,继续加热烧杯中的水。同时,将小药瓶内红色的水装满,塞紧橡皮塞,细玻璃管内的红色液柱则自动上升到一定的高度。在液面相平的细玻璃管处贴上一细圈标签纸,作为室温的标记。

(2)待烧杯中的水加热至沸腾后,将步骤(1)中制作的装置放入烧杯内加热几分钟后,在细玻璃管上与液面相平处贴上一细圈标签纸作记号,作为沸水的温度(1 标准大气压下,沸水的温度为100 ℃)。

(3)用与活动二相同的方法,在细玻璃管上标出其他温度值,制得如图9所示的液体温度计。

图9 完成刻度标注

3.3.3 思考与讨论

(1)该装置在实际使用时会存在哪些问题。如要提高所制作的液体温度计的量程或精准度,可对装置进行怎样的改进。

(2)普通温度计中的液体一般选用酒精、水银或煤油,为何不选用我们生活中最常见的水来制作液体温度计。