做功改变内能实验演示仪

江耀基,肖春燕，蓝斗高

(1.安福中学,江西 吉安 343200;2.城北学校,江西 吉安 343200; 3.高安市第四中学,江西 宜春 330800)

1 教材实验存在的问题

做功改变内能是教材中的2个演示实验[1]，它既是本节教学中的重点，也是学生学习的难点，为了突破该知识点，教材上安排了如图1所示的2个实验. 在图1(a)中，把活塞迅速下压，观察到棉花燃烧，得出活塞压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高，达到硝化棉的燃点. 在图1(b)中，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察到瓶内出现白雾，说明水蒸气液化成小水珠，得出气体膨胀对外做功，内能减小，温度降低. 由此可见，做功也可以改变物体的内能[1].

(a) (b)图1 教材中实验

在教学实践中发现，上述2个实验在具体的实验操作时都存在问题.

图1(a)实验存在的问题：

1)向下压缩空气，有时看不到棉花燃烧，实验现象不明显；

2)看不到棉花燃烧现象，无法说明对物体做功，得不到内能增大的实验结论；

3)如果使用不当，会造成实验仪器破裂，存在安全隐患.

图1(b)实验中存在的问题：

1)塞子跳出时，有时看不到瓶内出现白雾，实验现象不明显；

2)塞子塞得太紧，塞子不容易冲出，要反复打气，可能存在安全隐患；

3)烧瓶内温度的变化无法直接体现.

2 改进创新实验方案

2.1 利用数学温度计和激光，提高现象的直观性

教材中的2个实验，是通过实验现象来说明温度的变化，如“棉花燃烧展示温度升高”、“出现白雾展示温度降低”. 这些现象的原理需要教师向学生解释，且实验为定性实验无法展示温度的数值变化. 为此，将该实验装置进行了改进，改进的实验采用电子温度计测量实验装置内空气的温度，通过直接观察电子温度计屏上显示的空气温度变化，说明“温度升高”或“温度降低”实验结论. 另外，通过激光笔照射实验装置内空气可见度的变化判断是否出现白雾. 通过改进，实验现象更明显、直观.

2.2 整合实验方案，增强装置的实用性

教材中的2个实验，是相互独立的，演示时需要分开进行，占用了教学时间. 为此，可将2个实验进行合并，设计了新的实验演示仪，如图2所示. 该演示仪由支架、大号注射器(200 mL)、激光笔、数字温度计、感温探头(装在活塞内)、卡口、孔塞(用细绳系在支架上)等组成. 其中注射器的针筒固定在支架可上下移动的活动横杆上，数字温度计、激光笔分别固定在支架上相应的位置.

图2 做功改变内能实验演示仪

3 用演示仪进行实验教学

3.1 实验步骤

1)在注射器内加入少量的酒精(或水)，将活动横杆(针筒)向上移动一段距离，同时把注射器的活塞往下拉与支架底座相接触，在注射器嘴上套紧孔塞，这样注射器内就密封了一段空气.

2)打开数字温度计，记下此时注射器内密封空气的初温t0. 打开激光笔，用双手按住活动横杆的两侧，突然迅速向下用力压缩注射器内的密封空气，直到活动横杆被两侧的卡口固定为止，观察此时数字温度计上显示的末温t. 实验发现末温t明显高于初温t0.

3)待数字温度计上显示的温度下降一定温度并稳定后，用钥匙手动开启注射器嘴上的孔塞[如图3(a)]，观察到数字温度计示数出现明显下降，同时针筒内出现明显的红光束，说明针筒内出现白雾[如图3(b)].

(b)注射器内产生了雾图3 实验现象

3.2 实验结论

由步骤1)～2)可知，对物体(压缩空气)做功，内能增大，温度升高；由步骤3)可知，气体膨胀对外做功，内能减小，温度降低.

4 结束语

改进实验中，利用数字温度器和激光笔，使做功改变内能的实验现象更加明显，提高了实验现象的直观性；通过实验方案的整合，增强了实验装置的实用性和可循环使用性；通过简化实验步骤，使众多的、繁琐的实验操作步骤得以优化，确保了物理教学中演示实验的成功率，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的综合能力，提升了学生的核心素养.