“热对流”实验创新

原实验不足之处

在认识液体热对流现象的实验中，教材上的两个实验是使用酒精灯分别加热试管和烧杯里的水，需要的器材较多，而且需要安装调试铁架台和试管类，稳定性和安全性不高。此外，试管里的热对流现象不明显，导致学生无法很好地理解热对流的本质。

在电茶壶的启发下，我引入了陶瓷电加热片，并设计了相应支架，组成了安全、稳定、高效、直观的电加热片热对流实验套件（设计图如图1）。

实验材料

陶瓷电加热片、直流电源（15 V）、温度计或电子温度计、温度计支架、烧杯（250 mL）、色素、记录单等。

实验制作

支架承担着装载加热片和多支温度计的作用，可以很方便地调节加热片和温度计的高度。这里采用有一定厚度的有机玻璃作为支架主体，通过用小夹子夹在加热片和温度计的位置，实现其工作高度的调节。

根据常用的250 mL烧杯的杯口大小，将有机玻璃切割出如图形状（如图2），不做成圆形全盖，而是在两边留空，方便滴加色素，观察水的流动。弧形边缘用AB胶再粘一层有机玻璃，使支架外沿凸起，这样可以卡住杯口，防止移动。按照图2的位置在有机玻璃上钻出四个孔，一侧的单孔直径要略大于加热片塑料管的直径。放置温度计的三个孔直径要略大于温度计的直径。四个孔呈弧线排列，与杯内壁留有相同的距离，避免插入的温度计触碰烧杯内壁。

将电加热片的导线穿入空塑料管内，调整电加热片角度直至与塑料管垂直；使用小号塑料夹分别调整和固定电加热片和温度计的工作高度，确保装置稳固后即完成制作和准备工作（如图3）。

实验步骤及效果

每组用烧杯装取220 mL的水备用。

放置加热设备：各实验小组分别选择将电加热片放置于水的上、中、下三层位置，并将电加热片的两条导线和电源上的鳄鱼夹相连。此时，电源处于关闭状态。

放置温度计：各组将三支温度计插入烧杯口的支架，调整高度使其能分别测出被加热水的上、中、下三层的温度。

各组同时接通电源，使用15 V直流电源开始加热，每隔两分钟记录一次各水层的温度（如图4）。

加热过程中往杯里滴加色素，观察水在受热过程中的流动情况。通过色素可以看到水受热向上流的过程，同时周围较冷的水向下流动（如图5）。

持续加热8分钟后关闭电源，结束实验操作，整理实验数据，根据折线统计图总结规律。

实验优点

这套实验材料采用电加热片，在直流电源下可以快速加热水，还通过支架放置三支温度计，让加热片和温度计的高度可以通过卡扣轻松调节。组装完成后，不用长时间用手持温度计测温度变化，便于学生操作。通过色素，学生能很明显地看到冷热水的分层现象，加上对不同水层温度的监测，使该实验不仅能给他们带来视觉上的冲击，更有数据上的支撑。这种流动现象仅仅发生在加热片的上面，而在加热片下面，没有水向上流动，加热片上面的较热的水也不会向下流动，出现了明显的分层现象。

由于五年级数学课刚好学过折线统计图，学生很自然地采用折线统计图反映温度的变化趋势，他们也具备相应的绘图能力。实验数据的图形化能帮助学生进行更直观的对比，加热效果一目了然，这样的实践也使学生更加认识到了数据采集和统计图的重要意义。

实验改进后，学生有了对不同水层温度上升数据的理性分析，有了对对流过程的动态观察，还有了对冷热水分层的静态画面比较，他们能更深刻地理解热对流现象的成因。