多功能分子間隙實驗儀創(chuàng)新方案

陳錦華

摘 ? 要：：現(xiàn)行的初中物理實驗室沒有分子間隙顯示的相關(guān)儀器，一線教師在教學(xué)中采用一些方法雖也可得出分子間存在間隙的結(jié)論，但是其呈現(xiàn)的效果并理想。在以往驗證分子間存在間隙的演示實驗中，普遍采用水與實驗室酒精混合的方式進(jìn)行驗證，首先在溶液的傾倒過程中存在較大的誤差，而且實驗效果并不是很明顯，二者在混合后溫度升高的現(xiàn)象無法直接呈現(xiàn)給學(xué)生。本文介紹了一款分子間隙顯示儀，其將水和酒精混合在裝置中，觀察端的液面下降可達(dá)7 cm，同時借助內(nèi)嵌的溫度計模塊，讓學(xué)生觀察到實驗過程伴隨的溫度變化。本器材不但能完成驗證分子間隙的實驗，同時還可完成氣體做功內(nèi)能變化實驗。

關(guān)鍵詞：分子間存在間隙;實驗儀;顯示溫度

筆者曾經(jīng)在擔(dān)任十年初中物理教學(xué)工作中，為了驗證分子間存在間隙，采用兩個100 ml量筒分別裝50 ml的水和50 ml的實驗室酒精（如圖1），分別在水和酒精中滴入紅色墨水染色后，將水倒入裝酒精量筒，總液體體積為97 ml（如圖2）。微弱的液面下降無法全班同學(xué)可見，需要第一排學(xué)生讀數(shù)后轉(zhuǎn)達(dá)給其余學(xué)生，因此全班大部分學(xué)生都是間接知道兩種液體混合體積減小。

初中物理課程的基本理念是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，而科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一種重要而有效的途徑[ 1 ]。在核心素養(yǎng)背景下，物理實驗的優(yōu)勢是其他手段無法替代的，因此落實物理實驗勢在必行?，F(xiàn)行初中物理實驗室沒有驗證分子存在間隙的相關(guān)儀器，當(dāng)水和酒精混合后溫度會升高，無法直接顯示給學(xué)生。經(jīng)文獻(xiàn)查詢，在張俠老師的“淺談幾個物理演示實驗的改進(jìn)”[ 2 ]一文中，先往容量瓶中加入50 ml的水，并在液面處畫好標(biāo)記線，將水倒出，采用兩只25 ml的酸式滴定管分別添加酒精和水混合均勻。實驗完成后可看到液面低于標(biāo)記線1 cm，如圖3。

圖3 ?酒精和水加入容量瓶中實驗步驟

如果能夠設(shè)計一款操作簡單，體積變化效果明顯、顯示溫度變化的分子間隙顯示儀，則不僅能夠提高課堂教學(xué)的便利性、提升教學(xué)效率，而且能夠提高教師課堂實驗的積極性、提高學(xué)生的觀察力，同時根據(jù)溫度變化的原因，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。而一個實驗裝置的多種用途，可節(jié)約實驗裝備成本。

1 ?器材及改進(jìn)方式

1.1 ?所需器材

250 ml針筒兩個、單向閥一個、30 cm注射液軟管（直徑4 mm）一根、8 cm注射液軟管（直徑2 mm）一根、熱電偶溫度計一個、10 cm×15 cm塑料板一塊、溫度計支架一個（選配）。

1.2 ?項目整體外觀（如圖4）

本項目的成果做成教具形式，由3個模塊組成，實驗反應(yīng)裝置、注射模塊、溫度顯示模塊。

1.3 ?反應(yīng)裝置制作方式

（1）針筒去除活塞，下側(cè)部位用手電鉆打孔，用砂紙將打孔四周位置打磨粗糙;

（2）單向閥進(jìn)水口向內(nèi)深入針筒，并用熱熔膠粘貼在針筒璧上;

（3）針筒中偏上部位用手電鉆打孔，將熱電偶溫度計探頭深入內(nèi)部，用熱熔膠密封粘牢;

（4）針筒朝上放置，底部打好熱熔膠后粘貼在塑料板上，打上足夠的熱熔膠做好密封。

（5）8 cm注射液軟管（直徑2 mm）插入針筒頭上。

2 ?教學(xué)用途與用法

2.1 ?分子間隙間存在間隙實驗

（1）熱電偶溫度計顯示模塊與探頭連接線連接完整;

（2）用30 cm注射液軟管連接另外一個針筒注射口，裝置下方用水槽接住溢出的水，防止桌面打濕;

（3）用針筒從單向閥往反應(yīng)裝置內(nèi)部注入滴加紅墨水的水，直至反應(yīng)裝置注滿水，記錄此時溫度15.3℃（如圖5）.

（4）取下針筒，吸取50 ml的酒精迅速通過單向閥添加至反應(yīng)裝置中，并記錄此時溫度19.1℃。將裝置靜置1 min，可看到針筒內(nèi)部液面緩慢下降7 cm。（如圖6）

（5）實驗完成，將裝置倒置，針筒往里面注入空氣，排出液體。

2.2 ?拓展用途——氣體做功內(nèi)能變化實驗

（1）熱電偶溫度計顯示模塊與探頭連接線連接完整，取下8 cm注射液軟管;

（2）用30 cm注射液軟管連接另外一個針筒注射口;

（3）用另一針筒從單向閥內(nèi)部加入5 ml酒精;

（4）連接好兩個針筒，用手堵住反應(yīng)裝置針筒口，用力推動另一針筒活塞，可看到溫度從20.7℃（如圖7）升高到24.3℃（如圖8），放開手指，氣體對外做功，溫度下降置20.3℃（如圖9）。

3 ?科學(xué)原理

分子間存在間隙，兩種液體混合后，互相彼此進(jìn)入對方，總體積會變小。對氣體做功內(nèi)能變化、溫度變化。

4 ?改進(jìn)點和創(chuàng)新點

（1）提升教具的直觀性，可觀察液面下降范圍大，全體學(xué)生在各個角落都可看見。

（2）可直接顯示水和酒精混合后溫度升高，提高實驗現(xiàn)象的完整性，擴(kuò)寬學(xué)生的視野。

（3）實驗演示更為客觀，提高實驗的精密性。

（4）一個裝置多個用途，可演示氣體做功內(nèi)能變化，效果直觀，操作簡單。

5 ?使用情況與推廣價值

本教具在實際教學(xué)中使用，師生一致反映教學(xué)效果良好，全體學(xué)生都可親眼看到體積的變化，自行小結(jié)分子間存在間隙的實驗現(xiàn)象。同時教師利用本教具拍攝教學(xué)微課，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，效果良好。

由于示教效果良好，本教具受到教學(xué)儀器經(jīng)銷商的青睞，筆者與福建天麥教學(xué)設(shè)備有限公司初步達(dá)成合作意向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部. 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011（4）.

[2] 張俠.淺談幾個物理演示實驗的改進(jìn)[J].高中數(shù)理化，2014（18）：30-31.