“做功改变气体内能”演示装置

李超

研究背景

“做功改变气体内能”实验是初中物理热学部分的一个重要演示实验，分为外界对气体做功和气体对外做功两个部分。一些教材或资料上，主要是通过压缩引火仪演示外界对气体做功，气体温度升高，内能增加，如图1所示。气体对外做功，则通过对瓶子加压，或加热试管内部的水，气体膨胀将塞子冲出去，从而实现气体对外做功。教科版九年级《物理》上册是通过传感器采集数据，通过图形化的方式演示气体对外做功的过程。

上述几种方案均存在明显不足：一是存在安全问题，即橡皮塞冲出可能会伤到人；二是装置不方便携带，组装比较麻烦；三是效果不明显，不能直观显示气体对外做功的温度变化情况；四是不能通过一套装置同时完成两个实验的演示。

基于以上情况，笔者产生了改进该演示实验装置的想法：一是利用一套装置同时演示两个实验，二是利用温度传感器显示温度，增强可视化效果。

装置设计

本演示装置受到消毒喷壶的启发，利用喷壶可以加压，气体可以喷出对外做功的特点，对喷壶进行改造，达到演示效果。本装置经过三代改进，性能得到提升，效果更加明显。

1.0 版本（图2），直接将温度传感器及显示屏放置于喷壶内部，初步实现了想要的功能，但是存在两个问题：一是显示屏太小、亮度不高，不便于观察；二是该显示屏没有开关，采用内置纽扣电池供电，后期不便于维护。

2.0 版本（图3），采用了高亮度的大屏LED 显示屏，将其固定在喷壶外面，便于观察，且更加美观。因显示屏供电需要12 ～ 24 V 电压，故采用12 V 可充电锂电池进行供电。由于电池体积较大，故将其固定在把手上。

3.0 版本（ 图4）， 在2.0 版本的基础上，将外置锂电池改为两节小号12 V 干电池串联，将电池内置于把手内，使得装置看起来更加简洁、美观；使用按钮开关控制显示屏，操作更加简便。

操作演示步骤

检查装置完整度及气密性。

通过手柄向喷壶打气，观察温度计示数变化。

当温度升高 3 ～ 5 ℃或感觉加气困难时停止打气。

按下喷气按钮，使喷头冲出。

观察温度计示数变化，如图5 所示。

首先，通过打气筒打气，实现外界对气体做功，可以看到气体温度上升，表明气体内能增大。其次，通过按动喷气按钮，气体快速将塞子冲出，实现气体对外界做功，可以看到气体温度下降，表明气体内能减小。

创新点及优点

利用喷壶改装实验装置，取材源于生活，可复制性强。

同时完成外界对气体做功和气体对外界做功两个演示实验。

成本低廉、效果明显、方便携带。

可重复使用，可靠性、安全性高。

总结

该装置能够弥补现有教材演示实验的不足，克服传统演示实验的多种不便，演示效果和效率大大提高。但本装置也存在有待提高和完善的地方，比如当喷头冲出时，瓶内若能观察到“白气”，效果更佳。

该项目获得第37 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖