巧用轉(zhuǎn)換，利用變色油墨提高熱現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果

吳敏

摘? ?要：物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理學(xué)概念和規(guī)律的建立離不開物理實(shí)驗(yàn)。在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)過程中，一些物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不容易被直接觀察到，如氣體液化放熱現(xiàn)象、外界做功改變物體內(nèi)能、熱傳導(dǎo)方向、滑動變阻器接入電路的有效電阻、電源短路電流大小、影響電流熱效應(yīng)的因素等物理實(shí)驗(yàn)。此時可以采用轉(zhuǎn)換法觀察物理現(xiàn)象，理解物理概念，并總結(jié)得出物理規(guī)律。文章以上述物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)為例，簡述了如何巧用變色油墨讓“熱”無處遁形，讓學(xué)生直接觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而更易理解和掌握相關(guān)物理概念和規(guī)律，切實(shí)提高了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：變色油墨;熱現(xiàn)象;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0068-4

1? ? 變色油墨簡介

變色油墨是借助物質(zhì)特性而變色的一種特種油墨，可用于多種行業(yè)。變色油墨可分為感溫變色油墨、紅外激發(fā)變色油墨、紫外線感光變色油墨、紫外熒光變色油墨、光學(xué)變色油墨、遇水變色油墨、夜光變色油墨以及微膠囊香味油墨等。筆者實(shí)驗(yàn)選用的是感溫變色油墨，它利用溫度差異來改變自身顏色。圖1所示為一款變色陶瓷杯，杯身圖案是由感溫變色材料做成。杯內(nèi)沒有注入熱水時，杯身圖案為一副彩色風(fēng)景照片（圖1左圖）;向杯內(nèi)倒入熱水后，彩色圖案就變成了黑色（圖1右圖）。

2? ? 利用變色油墨演示熱現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)

2.1? ? 氣體液化放熱現(xiàn)象

氣體液化有兩種方式：降低氣體溫度和壓縮氣體體積，生活中最常見的方法是第一種。氣體液化時要放出熱量，如何設(shè)計(jì)一個實(shí)驗(yàn)直觀地證明氣體液化時會放熱呢？在蘇科版《物理》八年級上冊教材中有一個“觀察水蒸氣的液化”的實(shí)驗(yàn)。將金屬盒蓋放在燒瓶斜上方，加熱燒瓶中的水直至沸騰，產(chǎn)生大量水蒸氣。水蒸氣在金屬盒蓋底部凝結(jié)成小水珠，說明水蒸氣遇冷液化。在金屬盒蓋上放上冰塊，可以觀測到冰塊熔化，這說明水蒸氣遇冷液化的同時也在放熱。除了上述方法，我們還可以將變色油墨直接涂抹在金屬盒蓋底部后晾干[圖2（a）]，然后將其放置在燒瓶斜上方。當(dāng)燒瓶冒出大量水蒸氣時，金屬盒蓋底部的變色油墨逐漸由綠色變成了黃色，如圖2（b）-圖2（d）所示。變色油墨升溫變色現(xiàn)象直觀地演示證明了水蒸氣液化放熱這個知識難點(diǎn)。

2.2? ? 外界做功改變物體內(nèi)能

在蘇科版《物理》九年級上冊教材中設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)演示外界做功改變物體內(nèi)能。利用空氣壓縮引火儀壓縮筒內(nèi)空氣，使得筒內(nèi)棉花燃燒，借此說明活塞對空氣做功，空氣內(nèi)能增大，溫度升高最后點(diǎn)燃棉花。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中向下壓縮活塞時，筒內(nèi)棉花不一定會燃燒，使得課堂教學(xué)效果大打折扣。若用變色油墨設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，則物理現(xiàn)象更明顯直觀。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）如圖4（a）所示，將一根上部涂有綠色變色油墨的金屬管（鐵管或銅管）固定在桌面上。

（2）將一根布條繞過金屬管并快速來回拉動布條摩擦金屬管，觀察金屬管上部油墨顏色是否發(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，來回拉動布條摩擦金屬管一段時間后，金屬管上部油墨逐漸由綠色變?yōu)榱它S色，如圖4（b）所示;繼續(xù)快速拉動布條，則有更多的綠色油墨變成了黃色，如圖4（c）所示。這說明布條摩擦金屬管對金屬管做功，金屬管內(nèi)能增大，溫度升高導(dǎo)致油墨變色。

改變物體內(nèi)能

2.3? ? 熱傳導(dǎo)方向

改變物體內(nèi)能的方式有兩種：做功和熱傳遞。而熱傳遞的方式有傳導(dǎo)、對流和輻射三種。在蘇科版《物理》九年級上冊教材中，將金屬湯勺放在熱湯中（圖5），手摸勺柄感覺勺柄很燙，說明熱量是沿著湯勺從高溫的勺頭傳遞到低溫的勺柄。這個演示實(shí)驗(yàn)存在一定的不安全因素，怎么能安全、直觀地顯示熱傳導(dǎo)的方向呢？我們可以利用變色油墨來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，直接顯示熱傳導(dǎo)過程中熱量的傳導(dǎo)方向。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將一根涂滿綠色變色油墨的銅棒固定在鐵架臺上，如圖6（a）所示。

（2）用點(diǎn)燃的酒精燈加熱銅棒右端，觀察銅棒上油墨顏色變化的方向。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱銅棒右端時，銅棒右端油墨最先由綠色逐漸變?yōu)辄S色，而且變色區(qū)域沿著銅棒慢慢從右端向左端蔓延，直至油墨全部變色，如圖6（b）（c）所示。這直觀地說明了熱量是沿著銅棒從高溫的右端向低溫的左端傳遞的。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓學(xué)生直觀地看到了熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行的方向，加深了學(xué)生對熱傳導(dǎo)的理解。

2.4? ? 滑動變阻器接入電路的有效電阻

在初中物理電學(xué)知識板塊，滑動變阻器是一個常用的實(shí)驗(yàn)器材。知道滑動變阻器的工作原理，理解滑動變阻器接入電路的有效電阻，是學(xué)好電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。在滑動變阻器教學(xué)中，如何讓學(xué)生直觀地看出是滑動變阻器哪部分電阻接入電路，是教學(xué)中的一個難點(diǎn)。我們可以利用變色油墨設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，巧妙地突破這個教學(xué)難點(diǎn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）在滑動變阻器線圈上均勻涂滿綠色變色油墨，晾干后與小燈泡串聯(lián)接在電源兩端，如圖7（a）所示。

（2）閉合穩(wěn)壓電源的開關(guān)，觀察到小燈泡發(fā)光，說明電路中有電流通過。

（3）讓電路通電5分鐘，觀察滑動變阻器線圈上油墨顏色的變化。

（4）將滑片向右端適當(dāng)移動一段距離，再通電5分鐘，觀察小燈泡亮度的變化及滑動變阻器線圈上油墨顏色變化范圍。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通電約5分鐘后，滑動變阻器滑片左側(cè)電阻線圈上的變色油墨由綠色變成了黃色，如圖7（b）所示。向右移動滑片一段距離后，燈泡亮度變暗，再通電5分鐘左右，觀察到滑動變阻器線圈上油墨變色范圍增大，如圖7（c）所示。這是因?yàn)橛须娏髁鬟^的線圈發(fā)熱，線圈溫度升高，導(dǎo)致油墨變色，這樣就直觀地顯示出有電流通過的這部分線圈，所以油墨顏色發(fā)生變化區(qū)域的線圈電阻就是滑動變阻器接入電路的有效電阻。這個實(shí)驗(yàn)不僅讓學(xué)生直接看清了滑動變阻器中哪部分電阻接入了電路，而且加深了學(xué)生對滑動變阻器工作原理的理解，強(qiáng)化了學(xué)生對電流和電阻關(guān)系的認(rèn)識，為后續(xù)學(xué)習(xí)歐姆定律打下了良好的電學(xué)基礎(chǔ)。

2.5? ? 電源短路電流大小

短路是常見的電路故障。短路分為兩種，一種是用電器被短路，另一種是電源被短路。用導(dǎo)線將用電器兩端直接連接起來叫用電器被短路;用導(dǎo)線將電源的正負(fù)極直接連接起來叫電源被短路。用電器被短路時，無電流通過用電器，所以用電器不會損壞。而電源被短路時，電路中有很強(qiáng)的電流通過，電源容易被損壞，甚至引起火災(zāi)。為了加深學(xué)生對電源短路及其危害的認(rèn)識，可以利用變色油墨設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

（1）將一段長5 cm左右的直銅棒表面涂上綠色變色油墨后晾干，如圖8（a）所示。

（2）斷開開關(guān)，將銅棒通過導(dǎo)線夾接入電路， 如圖8（b）所示。

（3）閉合開關(guān)，觀察銅棒上油墨顏色變化，如圖8（c）所示。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，閉合開關(guān)后電源短路，銅棒上油墨的顏色很快由綠色變成了黃色，如圖8（d）所示。這說明銅棒溫度升高得很快，由此可知電源短路時電路中產(chǎn)生了很大的電流。

2.6? ? 探究影響電流熱效應(yīng)的因素

“探究影響電流熱效應(yīng)的因素”是初中物理

一個重要的實(shí)驗(yàn)。這個實(shí)驗(yàn)的演示裝置很多，如加熱煤油，觀察煤油溫度升高情況[圖9（a）];加熱氣體，觀察U形管中液柱高低變化情況[圖9（b）]等。我們也可以利用綠色變色油墨探究影響電流熱效應(yīng)的因素，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）在定值電阻R1（5 Ω）和R2（20 Ω）上均勻涂上綠色變色油墨，并晾干， 如圖9（c）所示。

（2）如圖9（d）所示，將R1接入電路。閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器使電路中的電流為0.1 A，同時開始計(jì)時，直到油墨變成黃色停止計(jì)時。從開始通電到油墨變色的時間記為t1。

（3）如圖9（e）所示，調(diào)節(jié)滑動變阻器使電路中的電流為0.2 A，同時開始計(jì)時，直到油墨變成黃色停止計(jì)時。從開始通電到油墨變色的時間記為t2。

（4）如圖9（f）所示，將電阻R1和R2串聯(lián)接入電路。閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器使電路中的電流為0.2 A，同時開始計(jì)時，直到油墨變成黃色停止計(jì)時。電阻R1和R2從開始通電到油墨變色的時間分別記為t3和t4。

（5）比較t1、t2、t3和t4的大小，分析得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：t2<t1，說明電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與通過導(dǎo)體的電流大小有關(guān);t4<t3，說明電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻大小有關(guān);當(dāng)然，通電時間越長，電流產(chǎn)生的熱量越多。由此得出影響電流熱效應(yīng)的因素是通過導(dǎo)體電流的大小、導(dǎo)體電阻的大小和通電時間。

3? ? 結(jié)? ?論

在日常物理課堂教學(xué)中，我們可以巧妙地借助一些特殊器材或工具，例如本文實(shí)驗(yàn)中使用的感溫變色油墨，運(yùn)用轉(zhuǎn)換方法，把一些不易直接觀察到的物理現(xiàn)象直觀地呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)歸納出物理規(guī)律，從而提高物理課堂教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洪明，謝昕羽.自制變色滑動變阻器[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015，35（01）：21-22.

（欄目編輯? ? 邱曉燕）

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