“做功改变内能”教具的可视化创新开发*

陈显灶

(厦门市海沧区北附学校 福建 厦门 361026)

1 常规“做功改变内能”装置的不足

做功和热传递都能改变物体的内能.对物体做功时,物体内能增加,温度升高;物体对外做功时,物体温度降低,内能减小.人教版九年级教材用空气压缩点火仪和向烧瓶中打气来完成“空气被压缩时内能增大”及“空气推动塞子,内能减小”的实验.

如图1所示.在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉,把活塞迅速压下去,让学生观察硝化棉发生的现象;此时硝化棉燃烧,说明空气被压缩时内能增大,温度升高.

图1 空气被压缩,内能增大

如图2所示,烧瓶中盛有少量水,给瓶内打气,当瓶塞跳出时,观察瓶内的变化;当塞子跳起来时,可以看到瓶内出现白雾,水蒸气液化成小水滴;说明气体对外做功,温度降低,内能减小.“空气被压缩时内能增大”实验中使用的实验材料硝化棉,属于受公安部门管制的易燃易爆品,具有较大的安全风险.演示该实验时,对硝化棉添加的量、按压的力度与速度都有较高的要求,很难达到理想的实验效果.

图2 空气推动塞子,内能减小

由于厚玻璃筒、活塞质量的参差不齐、容易老化等问题,使得该器材的循环利用率较低.“空气推动塞子,内能减小”实验中打气次数和塞子跳起时机均无法控制,二者受周围环境及塞子松紧程度的影响较大,随机性较强.瓶中的白雾也很难被观察到,实验效果较为不理想.两个实验都属于定性的演示实验,不利于学生科学探究活动的开展[1].

针对以上不足,笔者将两个实验进行整合,利用数字化测温方式,设计了 “做功改变内能”的可视化创新实验教具.

2 做功改变内能的演示装置的可视化创新设计

2.1 实验材料

4～5 L透明塑料瓶,K型热电偶线,电子温度表,气门嘴,支架,打气筒,电脑数据线,计算机,酒精,细绳,热熔胶枪,气球,鲜花.

2.2 制作过程

(1)安装气门嘴.在塑料瓶盖中央开一个与气门嘴等大的孔,将气门嘴拧入孔中,锁紧螺丝,用热熔胶内外密封,确保气密性良好,如图3所示.

图3 气门嘴安装图

(2)安装测温探头.在塑料瓶底部中央开一个小孔,使K型热电偶线的测温探头刚好能放入瓶内,测温探头在瓶内留1 cm左右,瓶外用热熔胶密封,确保气密性良好,如图4所示.由于塑料瓶底部的正中央最为厚实,不易形变且耐高温,是直径较小的测温探头最佳安装区域.

图4 测温探头安装图

(3)将K型热电偶线、电子温度表、塑料水瓶组装完成后固定于支架上,效果如图5所示.

①支架;②测温线;③电子温度表;④电脑数据线;⑤气门嘴;⑥透明塑料瓶;⑦测温探头

(4)用数据线将电子温度表与电脑连接,调试软件,实时显示温度及温度变化曲线.

3 实验过程及现象

本实验将“对空气做功,内能增大”和“空气对外做功,内能减小”两个实验巧妙地进行组合,可同时进行这两个实验探究.向瓶中装入少量酒精,可使白雾效果更明显,然后拧紧瓶盖;将瓶盖用细绳固定,以避免气体对其做功时获得的速度太大,造成危险;用打气筒通过气门嘴向瓶中打气,瓶内实时温度不断上升;连续打气6次,拧松瓶盖,瓶盖迅速飞出,瓶内温度降低,且白雾瞬间充满瓶中;瓶盖飞出前、后对比效果如图6、7所示,电脑屏幕显示的温度变化曲线如图8所示.

图6 瓶盖飞出前

图7 瓶盖飞出后

图8 温度变化曲线

根据温度变化曲线可知,整个实验过程中,瓶内温度有6次是连续上升的,与之对应的则是6次对瓶内气体做功.因此,外界对气体做功时,气体的温度将会升高,内能增大.当瓶盖飞出后,瓶内温度快速下降,并瞬间产生大量的白雾.由于温度下降,瓶内原有不可见的酒精蒸气和水蒸气便大量液化成白雾.所以,气体对瓶盖做功时,气体的温度将会下降,内能减小.从温度变化曲线、大量白雾的生成及相应的实验过程,学生可以定量地、快捷地得到 “对空气做功,内能增大”和 “气体对外做功,内能减小”的实验结论.

当然,由于本实验使用的塑料瓶体积较大,还可以向瓶内放入一些其他器材,以达到不同的教学效果.可以在瓶中放入一些颜色鲜艳的花朵,当瓶盖飞出时,瓶内瞬间“雾满枝头”,达到“雾里看花”的奇特效果,从而增加实验的趣味性.也可以在瓶内放入一个颜色较深、已吹足气并扎紧的气球,当向瓶内持续打气时,气球体积逐渐变小;拧开瓶盖时,气球体积又变大.学生可以根据气球体积的变化得知瓶内压强的变化,使得瓶内气压的变化可视化.

4 教学效果及优点

(1)用K型热电偶电子温度计进行数字化测温,能够定量研究“做功改变内能”实验中温度的变化特点,使温度的变化可视化.同时,K型热电偶电子温度计具有小巧轻便、测温精准、反应迅速、成本低廉、可循环利用等优点,可实现分组实验探究.

(2)用5 L塑料瓶进行实验现象演示,加大的实验教具使白雾效果非常明显,视觉冲击力强.学生通过观察瓶内的白雾和温度变化特点,震撼之余,更能深刻理解“气体对外做功,内能减小,温度降低,使瓶内酒精蒸气、水蒸气液化”的实验现象.同时,大体积的塑料瓶使得本实验有更多可“玩”的空间,可以向瓶内放入颜色鲜艳的花朵或气球,以强化实验效果和增加实验的趣味性.

(3)在探究“对空气做功,内能增大”时,可用不同力度、不同速度向瓶内打气,进行多次实验,使结果更具有普遍性、严谨性.

(4)将“做功改变内能”的两个实验进行一体化整合,用一套教具完成两个实验,整体性强,安全可靠.使学生对“做功改变内能”的认识更加系列化、结构化.

5 结束语

物理是一门以实验为基础的自然科学,所有的情境都应当来源实验事实[2],演示实验的可视性便显得尤为重要.基于可视化的实验创新教具可以帮助学生更好地理解“做功改变内能”的实验结论和本质内涵[3-4].本实验运用数字化测温工具,将定性的实验现象定量测量,使实验过程和实验结果可视化,让学生从实验现象、温度变化曲线多角度对比理解抽象的知识,利于知识的内化提升.