熱傳遞可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張春斌,王妍琳

(1.深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校 高中部， 廣東 深圳 518055;2.六約學(xué)校，廣東 深圳 518173)

由于熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流2種熱傳遞的方式也比較抽象,在實(shí)際教學(xué)中，教師需要通過實(shí)驗(yàn)增加學(xué)生的感性認(rèn)知，將抽象的內(nèi)容可視化，從而更加形象生動(dòng)地傳授知識(shí).

1 熱傳導(dǎo)可視化實(shí)驗(yàn)

教材中的熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)是采用蠟滴將火柴粘在金屬絲上，觀看火柴掉落的先后順序來推斷熱量的傳遞方向. 實(shí)驗(yàn)存在以下不足：1)蠟滴涂得不同，可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；2)只能看到這幾個(gè)點(diǎn)的變化，不能將整個(gè)熱傳導(dǎo)過程呈現(xiàn)出來；3)蠟滴融化后滴在桌上，難以清洗，若不慎滴在手上會(huì)燙傷；4)金屬絲需加熱到極高溫度，才足以使另一端的火柴掉落，實(shí)驗(yàn)存在安全隱患.

1.1 用感溫變色指甲油實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)的可視化

1)熱在鋼尺中的傳遞過程和方向

實(shí)驗(yàn)材料:感溫變色指甲油1瓶(常溫下綠色，當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)變成黃色)，鋼尺1把，玻璃杯，溫水，酒精燈.

實(shí)驗(yàn)過程:將感溫變色指甲油涂在鋼尺上，將涂有變色指甲油的鋼尺一端浸在熱水中，觀察鋼尺顏色的變化. 熱水一端立即由綠色變成黃色，隨后黃色由浸沒在熱水的一端逐漸擴(kuò)散到鋼尺頂部(如圖1所示)，可以看出熱從溫度高的一端傳遞到溫度低的一端. 將涂有變色指甲油的鋼尺中間加熱，觀察指甲油顏色的變化，中間加熱部分立即由綠色變成黃色，隨后黃色由中間逐漸擴(kuò)散到鋼尺兩端[如圖1(b)的示]，即可以“看到”熱量從溫度高的部分傳遞到溫度低的部分.

(a)鋼尺一端浸入熱水中 (b)從鋼尺中間加熱圖1 鋼尺的熱傳導(dǎo)

1.2 熱在鐵盤中的傳遞過程和方向

實(shí)驗(yàn)材料：涂感溫變色指甲油的鐵盤，酒精燈.

實(shí)驗(yàn)過程：用酒精燈給涂有溫變指甲油的鐵盤邊緣加熱，觀察顏色的變化. 加熱的一端立即由綠色變成黃色，隨后黃色由點(diǎn)逐漸擴(kuò)散到周圍[如圖2(a)],可以“看出”熱從物體溫度高的部分傳遞到溫度低的部分.

將涂有變色指甲油的鐵盤中間加熱，觀察顏色的變化，中間加熱部分立即由綠色變成黃色，隨后黃色由中間逐漸擴(kuò)散到周圍[如圖2(b)所示]，可以看出熱從物體溫度高的一部分傳遞到溫度低的另一部分.

(a)加熱鐵盤一端 (b)加熱鐵盤中間圖2 鐵盤加熱時(shí)熱傳導(dǎo)

1.3 銅鐵鋁的傳熱性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料:涂有感溫變色指甲油且大小形狀相同的銅棒、鐵棒、鋁棒各1根，1杯熱水.

實(shí)驗(yàn)過程:將涂有感溫變色指甲油的銅棒、鐵棒、鋁棒插入熱水中，浸沒相同的高度. 可以看到靠近熱水一端的指甲油慢慢變成黃色，并逐漸向上擴(kuò)散[如圖3(a)所示]，鋁棒顏色變化最快，銅棒次之，鐵棒最慢[如圖3(b)]. 由實(shí)驗(yàn)可知，鋁的導(dǎo)熱性比銅強(qiáng)，銅的導(dǎo)熱性比鐵強(qiáng).

(a)3根金屬棒插入熱水中 (b)最終變色對(duì)比 圖3 鋁棒、銅棒、鐵棒導(dǎo)熱性能對(duì)比圖

1.4 注意事項(xiàng)

1)感溫變色指甲油的選擇：根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選擇約45 ℃左右變色的指甲油較為適宜.

2)由于采用45 ℃溫變指甲油，因此無需采用沸水(60 ℃左右即可)或長時(shí)間加熱(10s左右即可)，以免燙傷或引燃指甲油.

2 熱對(duì)流可視化實(shí)驗(yàn)

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足

文獻(xiàn)[2]記載的方法是加熱水，觀看水中木屑的運(yùn)動(dòng). 實(shí)驗(yàn)存在問題為：加熱慢，需要等待很長時(shí)間；一大杯熱水，存在安全隱患；難以看到熱對(duì)流的循環(huán)路徑.

2.2 熱對(duì)流的可視化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：利用有機(jī)玻璃板制成的裝置、蠟燭、蚊香、打火機(jī).

實(shí)驗(yàn)過程:切割有機(jī)玻璃板，組成正方體形盒子，中間隔開但不隔到底部，上下面通透，后面貼著黑色紙板，以方便清晰地看到白色的煙霧.

在右下方放置1根點(diǎn)燃的蠟燭，蠟燭與中間隔板下方空隙等高. 在左上方放著點(diǎn)燃的蚊香，即可以看到左邊的煙向下飄，再從右邊向上升，由此可以觀察到熱對(duì)流現(xiàn)象，如圖4所示，為了讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，可以在蚊香上滴1點(diǎn)蠟油，這樣煙會(huì)很濃.

(a)截面示意圖 (b)實(shí)物圖圖4 熱對(duì)流實(shí)驗(yàn)裝置