“机械能与内能的相互转化”教学案例分析

吉美存

(江苏省南京市雨花台中学春江分校，江苏 南京 210012)

笔者在一次公开课中执教了苏科版“机械能与内能的相互转化”一课，基于科学素养培养目标，从培养学生的证据意识、模型建构能力、严谨的科学态度等方面进行了教学设计。

1 培养学生的证据意识

教学片断1：做功是改变物体内能的另一种方式

师：请帮老师完成一项任务，使铁丝、气球等温度升高、内能增加。你有哪些方法？

生：将铁丝弯折，将铁丝放入热水里，吹气球，拉伸气球……

学生汇报、展示实验方法。

师：你是如何得知铁丝、气球等的内能增加了？这个过程中消耗了什么能？

生：他们温度升高了，消耗了机械能。

师：这些方法是同一种方法吗？如果不是，你可以给它们分类吗？

生：可以分为两类，其中一类为热传递，另一类好像都需要力。

师：在此过程中物体获得了什么能？有力对它们做功吗？

生：获得了内能，有力做了功。

师：如果让你给这种方式起个名字，你觉得什么合适？

生：做功。

师：对铁丝、气球等做功，可以将机械能转化为内能，使铁丝、气球等的内能增加。

师：你能利用类似的方法使矿泉水瓶中的水的内能增加吗？

学生快速摇晃瓶中水，用温度计测量其温度，发现水温变化并不明显。

教师演示实验1：出示一个电动打蛋器和温度传感器，搅拌水后，观察温度传感器的示数变化。

实验现象：在1分钟内传感器的示数增大了2℃，效果明显。

师：此实验现象说明了什么？

生：打蛋器对水做功，机械能转化为水的内能，水的内能增加。

师：那么如果对气体做功，气体的内能是否也会增加呢？

教师出示如图1所示的装置，在饮料瓶上开三个孔，分别插入温度传感器、橡皮软管以及带开关的输液管，使打气筒与橡皮软管连通，并用热熔胶枪密封好。先关闭输液管阀门，通过打气筒向瓶中充气，学生会观察到温度传感器的示数增加。

图1

师：此现象说明了什么？

生：对气体做功，气体的温度升高，内能增大。

师：通过以上实验，我们发现：外界对固体、液体、气体做功，均可以增加其内能。

师生总结：外界对物体做功，物体的内能增加，机械能转化为内能。

师：你有哪些方法可以使物体的内能减小？自然规律往往是对称的，如果物体对外界做功的话，内能能否转化为机械能呢？

教师演示实验，在图1所示装置的阀门边放上一个小风扇，并打开阀门。学生可以观察到小扇叶快速转动起来，与此同时观察到温度传感器的示数变小。

师：温度传感器示数变小，说明气体的内能如何变化？

生：减小。

师：小扇叶的转动说明扇叶的机械能如何变化？

生：增加。

师：此过程的能量又是如何转化的？

生：内能转化为机械能。

师生总结：物体对外界做功，物体内能减小，内能转化为机械能。做功是改变物体内能的另一种方式。

评析：通常教学中的空气压缩引火仪实验虽然解决了“做功可以改变物体的内能，机械能向内能转化”这一问题，但这一实验却很难直观表明：“外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减小”，且证据难以捕捉，笔者通过加装温度传感器有效解决了实验的证据问题，培养了学生的证据意识。

2 培养学生的模型建构能力

教学片断2：热机

师：通过以上实验，我们发现内能可以转化为机械能，这为人类摆脱人力、畜力的束缚，跨入工业化时代提供了可能。利用这一原理，人们制造出了将内能转化机械能的机械——热机。为了迅速获得较大的内能，在设计上采用燃料燃烧获得内能，然后再将内能转化为机械能。

教师展示点火爆炸装置并演示。

师：在刚才的实验中，盒盖获得了机械能，但并不能持续地获得机械能。在热机的设计之初，这一问题始终困扰着人们，如何才能持续地获得机械能，带动机械运转？

师：在点火爆炸实验中，盒盖若要持续获得机械能，就需要一直点火推动盒盖做功，但这样设计出的热机体积将非常大。如果能够设计出一种将盒盖推出后可以自动将盒盖复位、再次点燃燃料推动盒盖的装置，这一问题就将迎刃而解。人们将“曲轴”应用到热机的设计上，巧妙地将直线运动变成了往复运动，使这一问题得到了解决。

教师展示斯特林热机(图2)，介绍其工作原理。在曲轴的带动下，获得了持续的机械能。

图2

师：人们发现斯特林热机所用燃料在气缸外，内能的利用效率较低，如果将燃料的燃烧放到汽缸内部进行，内能的利用效率将会大大提高。经过整合，加装了进气门、火花塞，解决了燃料的重复点燃问题，加装排气门解决了废气的排出问题，使燃料的利用效率大大提高，这也是现代热机——内燃机的设计原理。

评析：点火爆炸这个实验解决了“内能可以转化为机械能”这一问题，但学生心存疑惑：热机同样是将燃料燃烧产生的内能转化为机械能的装置，为何热机可以持续运转，而点火爆炸实验中的盒盖却不可以？在本节课中笔者引导学生深入分析热机工作过程，通过构建模型的方式逐步解决了这一问题，培养了学生的模型建构能力。

3 培养学生严谨的科学态度

教学片断3：对水做功，使其内能增加

师：刚才有同学快速摇晃瓶中水，发现水温变化并不明显，实验失败的原因是什么？有没有更好的实验方案？

生：受到热传递的影响，摇晃速度慢……

教师使用电动打蛋器和温度传感器，戴手套搅拌水后，观察温度传感器的示数变化。在1分钟内温度传感器的示数增大了2℃，效果明显。

评析：笔者在教学中发现，很多情况下我们的课堂实验难以与教材实验的描述完美贴合。这时很多教师往往会以误差一言以蔽之，究竟是误差还是错误则被我们忽略掉了。由此带来了很多问题，一旦面对新的实验题，学生往往不会分析和思考实验的问题所在，统统以误差作为原因。而实际实验中的问题千变万化，这就需要教师在平常教学中有意识地引导学生思考并讨论实验失败的原因，找出问题所在，重新设计实验方案，培养其严谨的科学态度。