做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新思考及實(shí)踐

丘嘉東

摘 要：在人教版九年級(jí)物理教材中，關(guān)于《內(nèi)能》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證“做功改變物體內(nèi)能”，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，雖然教材中的實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，但是相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不是特別明顯，缺乏說服力。對(duì)此，本文就“做功改變物體內(nèi)能”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，希望能夠更加直接地將做功與物體內(nèi)能之間的關(guān)系呈現(xiàn)出來，加深同學(xué)們對(duì)于相關(guān)知識(shí)的理解和認(rèn)知。

關(guān)鍵詞：做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn) 創(chuàng)新 實(shí)踐

引言

任何物體中都有內(nèi)能的存在，想要對(duì)物體的內(nèi)能進(jìn)行改變，一般有兩種方式，一是做功，二是熱傳遞。從現(xiàn)實(shí)生活中的很多現(xiàn)象，都可以看出熱傳遞對(duì)于物體內(nèi)能的改變，而做功改變物體內(nèi)能因?yàn)楝F(xiàn)象不夠明顯直觀，很多時(shí)候并不能被學(xué)生理解和接受。面對(duì)這樣的問題，如何通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，證明做功可以改變物體內(nèi)能，是相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)中需要重點(diǎn)考慮的問題。

一、教材實(shí)驗(yàn)

高中物理教材中，提到物體內(nèi)能的地方不少，很多同學(xué)在學(xué)習(xí)中往往對(duì)于內(nèi)能這種看不到摸不著的概念感到茫然不知所措，很容易將其與機(jī)械能混淆，也無法準(zhǔn)確掌握內(nèi)能與熱能的關(guān)系。對(duì)此，可以回歸初中教材中關(guān)于內(nèi)能的相關(guān)知識(shí)，以“做功改變物體內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)，來對(duì)內(nèi)能的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固。

人教版九年級(jí)物理課本中，第十三章第二節(jié)《內(nèi)能》教學(xué)中，為了加深學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)的理解和認(rèn)知，設(shè)計(jì)了“做功改變物體內(nèi)能”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)施如圖1所示。

圖1（a）為“空氣引燃儀”實(shí)驗(yàn)，在厚壁玻璃筒內(nèi)，設(shè)置一團(tuán)硝化棉，通過下壓活塞的方式，增加管體內(nèi)空氣的內(nèi)能，硝化棉會(huì)隨之燃燒；圖2（b）為“壓縮空氣對(duì)瓶塞做功”實(shí)驗(yàn)，在燒瓶內(nèi)放入適量水，通過活塞來向瓶內(nèi)充入空氣，當(dāng)上部瓶塞跳出后，可以看到燒瓶內(nèi)出現(xiàn)了白色霧氣，表明氣體膨脹后，內(nèi)能減少，瓶內(nèi)溫度下降使得水蒸汽液化成了水滴。

這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和操作都非常簡(jiǎn)單，也可以看到較為明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但是在課堂操作中也存在不少問題：“空氣引燃儀”實(shí)驗(yàn)即便是一些有經(jīng)驗(yàn)的老教師也無法確保每次都成功，而且實(shí)驗(yàn)存在一定的危險(xiǎn)性；“壓縮空氣對(duì)瓶塞做功”實(shí)驗(yàn)主要體現(xiàn)的是氣體對(duì)外做功，內(nèi)能的減少會(huì)造成溫度下降，但是僅僅通過瓶內(nèi)的白霧并不能直觀顯示出內(nèi)能減少，可信度相對(duì)較低。如何對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，在保證實(shí)驗(yàn)操作安全性的前提下，使得其效果更加明顯，以促進(jìn)學(xué)習(xí)質(zhì)量的提高[1]。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

考慮教材中提到的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在前半段存在很大的相似性，將兩者合并成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新來提升實(shí)驗(yàn)效果。

1.實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新

利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)中比較常見的葫蘆狀球形容器，配備相應(yīng)的導(dǎo)氣管以及橡膠塞（2個(gè)）、打孔器（1個(gè)），數(shù)字式電子溫度計(jì)，打氣筒、橡膠管，酒精以及少量水作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的器材。將葫蘆狀球形容器放置在水平桌面上，確保其穩(wěn)定，在橡膠塞中間打孔，以電子溫度器探頭導(dǎo)線穿過孔洞，外露部分的長度為3cm左右，需要利用蠟進(jìn)行密封。將容器下球孔蓋子取下，在下球側(cè)壁孔塞入剛剛處理過的橡膠塞，為了避免實(shí)驗(yàn)過程中探頭導(dǎo)線脫落，以橡皮筋將其固定在開口位置，導(dǎo)線另一側(cè)連接數(shù)字式電子溫度計(jì)。利用細(xì)線拴住另一個(gè)橡膠塞，將線的另一頭固定在容器細(xì)腰部分，然后將橡膠塞壓入容器正上方孔內(nèi)，注意不要壓的過緊。利用橡膠管一端連接容器上球側(cè)孔導(dǎo)氣管，在這里需要注意，如果采用的是新式容器，因?yàn)槿萜鞅旧碓O(shè)置有相應(yīng)的玻璃導(dǎo)氣管，可以實(shí)現(xiàn)與橡膠管的直連；如果采用的是舊式容器，設(shè)置的并非玻璃導(dǎo)氣管而是側(cè)孔，需要增加膠塞與玻璃彎管，形成相應(yīng)的導(dǎo)氣管后，才能與橡膠管進(jìn)行連接。橡膠管的另一頭連接打氣筒，為了保證連接的牢固性，可以利用細(xì)線對(duì)連接位置進(jìn)行固定，使用的橡膠管長度約在60cm左右，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

2.實(shí)驗(yàn)方法創(chuàng)新

在完成實(shí)驗(yàn)裝置的組裝后，教師就可以進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作了。首先需要在容器內(nèi)部加入少量水和酒精，水的容量在10-15ml左右，酒精則只需2-3滴，加入酒精的目的，是利用酒精本身的揮發(fā)性，確保在實(shí)驗(yàn)過程中，能夠呈現(xiàn)出更加明顯的霧化現(xiàn)象，提升實(shí)驗(yàn)的可信度。打開數(shù)字式溫度計(jì)，對(duì)溫度計(jì)顯示的溫度數(shù)值進(jìn)行記錄，填寫到實(shí)驗(yàn)記錄表格（見表1）的“初始溫度”欄[2]。

利用打氣筒，經(jīng)橡膠管向容器內(nèi)打入氣體，同時(shí)觀察溫度計(jì)顯示數(shù)值的變化，會(huì)發(fā)現(xiàn)，伴隨著氣體的持續(xù)充入，溫度計(jì)上顯示的數(shù)值會(huì)逐漸上升。繼續(xù)打氣直到橡膠塞被容器內(nèi)膨脹的氣體沖開，溫度計(jì)數(shù)值達(dá)到最大值，而且超過室內(nèi)溫度，在實(shí)驗(yàn)記錄表中，將相關(guān)數(shù)值記錄在“打氣過程中的最高溫度”一欄。在橡皮塞被沖開的瞬間進(jìn)行觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)容器口和容器內(nèi)部出現(xiàn)了大量白色霧氣，且此時(shí)溫度計(jì)的讀數(shù)會(huì)開始逐漸下降，達(dá)到最低值，這時(shí)瓶內(nèi)的溫度會(huì)對(duì)于室內(nèi)溫度，在實(shí)驗(yàn)記錄表中，將相關(guān)數(shù)值記錄在“瓶塞噴出后的最低溫度”一欄。實(shí)驗(yàn)到此并沒有結(jié)束，等到溫度計(jì)顯示的數(shù)值逐漸回到室溫后，還應(yīng)該重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟5次，對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最后取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此來保證實(shí)驗(yàn)的有效性和可信度。

舉例說明：在壓緊橡膠塞后，溫度計(jì)顯示的溫度是26.0℃，這個(gè)溫度為初始溫度，打氣兩次后，溫度數(shù)值上升，顯示為26.6℃，再打氣兩次，溫度上升到27.0℃，繼續(xù)打氣一次，瓶塞噴出，溫度計(jì)呈現(xiàn)出的溫度達(dá)到最高值，為27.2℃，記錄為最高溫度。瓶塞噴出后，瓶內(nèi)溫度降低，溫度計(jì)讀數(shù)為24.3℃，記錄為最低溫度，等待十幾秒后，溫度回歸到初始26.0℃。當(dāng)然，這里的打氣次數(shù)并不固定，如果橡膠塞塞得比較緊，可能需要多打幾次，反之則會(huì)少打幾次。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取下連接在容器上的橡膠塞和橡膠管，然后倒出容器內(nèi)的溶液，對(duì)其進(jìn)行清洗，并關(guān)閉數(shù)字式電子溫度計(jì)，將電池取出。

對(duì)比教材中的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)安全性更強(qiáng)，現(xiàn)象更加明顯，同學(xué)們自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，老師從旁指導(dǎo)。而且數(shù)字式溫度計(jì)的使用，使得做功對(duì)于內(nèi)能的改變能夠通過溫度數(shù)值的變化更加直觀的體現(xiàn)展示出來，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果從定性到定量的轉(zhuǎn)變，有著良好的效果。

三、再次創(chuàng)新

上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中取得了較好的反響，不過也出現(xiàn)了一定的不足，即實(shí)驗(yàn)裝置并不能切實(shí)保證做功氣體的質(zhì)量固定不變，因此可能會(huì)存在一定誤差。分析問題產(chǎn)生的原因，主要是打氣筒每次打氣都會(huì)向容器內(nèi)注入新的氣體，這樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部氣體質(zhì)量的改變，基于此，利用注射器取代了打氣筒，其他部分保持不變，這樣能夠避免容器內(nèi)氣體質(zhì)量固定，但是又引發(fā)的新的氣體，即注射器本身有限的容積僅僅能夠?qū)怏w進(jìn)行輕微壓縮，即便將其推到底，溫度計(jì)的讀數(shù)變化也很小，僅有0.2℃，這樣的做功并不足以推動(dòng)橡膠塞，更不可能在容器內(nèi)形成白霧，即便更換大容積注射器，同樣無法呈現(xiàn)出明顯的實(shí)驗(yàn)效果[3]。

在上述方式行不通的情況下，從縮小容器容積的角度著眼，將葫蘆狀容器更換成了“U型試管”，保持其他部分不變，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這種改進(jìn)同樣存在不足，一是裝置本身無法直立，在橡膠塞橫向噴出的情況下，內(nèi)部現(xiàn)象不明顯；二是試管壁相對(duì)脆弱，實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)破碎，安全性無法保證。

對(duì)此，繼續(xù)沿用之前的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，利用密封膠空桶配合相應(yīng)的填縫槍來取代之前的打氣筒，保持其他部分不變，構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置（見圖3）。

實(shí)驗(yàn)裝置組裝完成后，依照之前的實(shí)驗(yàn)步驟，在容器內(nèi)加入水和酒精，設(shè)置好數(shù)字式溫度計(jì)，做好溫度記錄。然后將橡膠塞2取下，拉出填縫槍的頂桿，再壓緊橡膠塞，扣動(dòng)扳手可以推動(dòng)頂桿前進(jìn)，對(duì)內(nèi)部空氣進(jìn)行壓縮。在這個(gè)過程中，需要時(shí)刻關(guān)注溫度計(jì)數(shù)值的變化情況，在密封良好的情況下，溫度計(jì)顯示的數(shù)值會(huì)逐漸上升，通過連續(xù)扣動(dòng)扳手的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)容器內(nèi)氣體體積的持續(xù)壓縮，直至橡膠塞被頂出，此時(shí)溫度計(jì)示數(shù)達(dá)到最大值。橡膠塞被頂出的瞬間，觀察瓶內(nèi)和瓶口，白霧清晰可見，溫度計(jì)數(shù)值開始下降，達(dá)到最低值。同樣，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理，等到溫度計(jì)顯示的數(shù)值逐漸回到室溫后，還應(yīng)該重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟5次，對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最后取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此來保證實(shí)驗(yàn)的有效性和可信度。

舉例說明：壓緊橡膠塞2后，溫度計(jì)顯示的溫度是26.0℃，這個(gè)溫度為初始溫度，扣動(dòng)扳手兩次，溫度數(shù)值上升，顯示為26.6℃，再扣動(dòng)扳手兩次，溫度上升到27.0℃，繼續(xù)扣動(dòng)一次，瓶塞噴出，溫度計(jì)呈現(xiàn)出的溫度達(dá)到最高值，為27.2℃，記錄為最高溫度。瓶塞噴出后，瓶內(nèi)溫度降低，溫度計(jì)讀數(shù)為24.3℃，記錄為最低溫度，等待十幾秒后，溫度回歸到初始26.0℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依照上述流程，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行處理。

相比較之前的實(shí)驗(yàn)，再次改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)裝置能夠切實(shí)保證做功氣體的質(zhì)量固定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加嚴(yán)謹(jǐn)，而且氣體壓縮更加簡(jiǎn)單，操作更加方便，可以對(duì)每一次壓縮的氣體量進(jìn)行控制[4]。

結(jié)語

總而言之，內(nèi)能是初中物理教學(xué)中一個(gè)非常重要的組成部分，但是其本身的知識(shí)較為抽象，理解和學(xué)習(xí)都存在一定的難度。針對(duì)教材中“做功改變物體內(nèi)能”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，通過更加安全、更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)步驟和更加合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠幫助同學(xué)們更好地理解相關(guān)知識(shí)，保證學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]楊新宇，汪洋.關(guān)于“做功改變物體內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].中學(xué)物理：初中版，2017，35（9）：27.

[2]劉立華，李洪清.做功改變物體內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].物理通報(bào)，2015，（5）：76-77.

[3]趙興華，做功改變氣體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014，31（z1）：65-66.

[4]張有建，李鳳嬌.做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)[J].中學(xué)物理，2018，（8）：24-25.