“做功改變內(nèi)能”教具的可視化創(chuàng)新開發(fā)*

陳顯灶

(廈門市海滄區(qū)北附學(xué)校 福建 廈門 361026)

1 常規(guī)“做功改變內(nèi)能”裝置的不足

做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能.對物體做功時,物體內(nèi)能增加,溫度升高;物體對外做功時,物體溫度降低,內(nèi)能減小.人教版九年級教材用空氣壓縮點火儀和向燒瓶中打氣來完成“空氣被壓縮時內(nèi)能增大”及“空氣推動塞子,內(nèi)能減小”的實驗.

如圖1所示.在一個配有活塞的厚玻璃筒里放一小團硝化棉,把活塞迅速壓下去,讓學(xué)生觀察硝化棉發(fā)生的現(xiàn)象;此時硝化棉燃燒,說明空氣被壓縮時內(nèi)能增大,溫度升高.

圖1 空氣被壓縮,內(nèi)能增大

如圖2所示,燒瓶中盛有少量水,給瓶內(nèi)打氣,當(dāng)瓶塞跳出時,觀察瓶內(nèi)的變化;當(dāng)塞子跳起來時,可以看到瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧,水蒸氣液化成小水滴;說明氣體對外做功,溫度降低,內(nèi)能減小.“空氣被壓縮時內(nèi)能增大”實驗中使用的實驗材料硝化棉,屬于受公安部門管制的易燃易爆品,具有較大的安全風(fēng)險.演示該實驗時,對硝化棉添加的量、按壓的力度與速度都有較高的要求,很難達到理想的實驗效果.

圖2 空氣推動塞子,內(nèi)能減小

由于厚玻璃筒、活塞質(zhì)量的參差不齊、容易老化等問題,使得該器材的循環(huán)利用率較低.“空氣推動塞子,內(nèi)能減小”實驗中打氣次數(shù)和塞子跳起時機均無法控制,二者受周圍環(huán)境及塞子松緊程度的影響較大,隨機性較強.瓶中的白霧也很難被觀察到,實驗效果較為不理想.兩個實驗都屬于定性的演示實驗,不利于學(xué)生科學(xué)探究活動的開展[1].

針對以上不足,筆者將兩個實驗進行整合,利用數(shù)字化測溫方式,設(shè)計了 “做功改變內(nèi)能”的可視化創(chuàng)新實驗教具.

2 做功改變內(nèi)能的演示裝置的可視化創(chuàng)新設(shè)計

2.1 實驗材料

4～5 L透明塑料瓶,K型熱電偶線,電子溫度表,氣門嘴,支架,打氣筒,電腦數(shù)據(jù)線,計算機,酒精,細繩,熱熔膠槍,氣球,鮮花.

2.2 制作過程

(1)安裝氣門嘴.在塑料瓶蓋中央開一個與氣門嘴等大的孔,將氣門嘴擰入孔中,鎖緊螺絲,用熱熔膠內(nèi)外密封,確保氣密性良好,如圖3所示.

圖3 氣門嘴安裝圖

(2)安裝測溫探頭.在塑料瓶底部中央開一個小孔,使K型熱電偶線的測溫探頭剛好能放入瓶內(nèi),測溫探頭在瓶內(nèi)留1 cm左右,瓶外用熱熔膠密封,確保氣密性良好,如圖4所示.由于塑料瓶底部的正中央最為厚實,不易形變且耐高溫,是直徑較小的測溫探頭最佳安裝區(qū)域.

圖4 測溫探頭安裝圖

(3)將K型熱電偶線、電子溫度表、塑料水瓶組裝完成后固定于支架上,效果如圖5所示.

①支架;②測溫線;③電子溫度表;④電腦數(shù)據(jù)線;⑤氣門嘴;⑥透明塑料瓶;⑦測溫探頭

(4)用數(shù)據(jù)線將電子溫度表與電腦連接,調(diào)試軟件,實時顯示溫度及溫度變化曲線.

3 實驗過程及現(xiàn)象

本實驗將“對空氣做功,內(nèi)能增大”和“空氣對外做功,內(nèi)能減小”兩個實驗巧妙地進行組合,可同時進行這兩個實驗探究.向瓶中裝入少量酒精,可使白霧效果更明顯,然后擰緊瓶蓋;將瓶蓋用細繩固定,以避免氣體對其做功時獲得的速度太大,造成危險;用打氣筒通過氣門嘴向瓶中打氣,瓶內(nèi)實時溫度不斷上升;連續(xù)打氣6次,擰松瓶蓋,瓶蓋迅速飛出,瓶內(nèi)溫度降低,且白霧瞬間充滿瓶中;瓶蓋飛出前、后對比效果如圖6、7所示,電腦屏幕顯示的溫度變化曲線如圖8所示.

圖6 瓶蓋飛出前

圖7 瓶蓋飛出后

圖8 溫度變化曲線

根據(jù)溫度變化曲線可知,整個實驗過程中,瓶內(nèi)溫度有6次是連續(xù)上升的,與之對應(yīng)的則是6次對瓶內(nèi)氣體做功.因此,外界對氣體做功時,氣體的溫度將會升高,內(nèi)能增大.當(dāng)瓶蓋飛出后,瓶內(nèi)溫度快速下降,并瞬間產(chǎn)生大量的白霧.由于溫度下降,瓶內(nèi)原有不可見的酒精蒸氣和水蒸氣便大量液化成白霧.所以,氣體對瓶蓋做功時,氣體的溫度將會下降,內(nèi)能減小.從溫度變化曲線、大量白霧的生成及相應(yīng)的實驗過程,學(xué)生可以定量地、快捷地得到 “對空氣做功,內(nèi)能增大”和 “氣體對外做功,內(nèi)能減小”的實驗結(jié)論.

當(dāng)然,由于本實驗使用的塑料瓶體積較大,還可以向瓶內(nèi)放入一些其他器材,以達到不同的教學(xué)效果.可以在瓶中放入一些顏色鮮艷的花朵,當(dāng)瓶蓋飛出時,瓶內(nèi)瞬間“霧滿枝頭”,達到“霧里看花”的奇特效果,從而增加實驗的趣味性.也可以在瓶內(nèi)放入一個顏色較深、已吹足氣并扎緊的氣球,當(dāng)向瓶內(nèi)持續(xù)打氣時,氣球體積逐漸變小;擰開瓶蓋時,氣球體積又變大.學(xué)生可以根據(jù)氣球體積的變化得知瓶內(nèi)壓強的變化,使得瓶內(nèi)氣壓的變化可視化.

4 教學(xué)效果及優(yōu)點

(1)用K型熱電偶電子溫度計進行數(shù)字化測溫,能夠定量研究“做功改變內(nèi)能”實驗中溫度的變化特點,使溫度的變化可視化.同時,K型熱電偶電子溫度計具有小巧輕便、測溫精準(zhǔn)、反應(yīng)迅速、成本低廉、可循環(huán)利用等優(yōu)點,可實現(xiàn)分組實驗探究.

(2)用5 L塑料瓶進行實驗現(xiàn)象演示,加大的實驗教具使白霧效果非常明顯,視覺沖擊力強.學(xué)生通過觀察瓶內(nèi)的白霧和溫度變化特點,震撼之余,更能深刻理解“氣體對外做功,內(nèi)能減小,溫度降低,使瓶內(nèi)酒精蒸氣、水蒸氣液化”的實驗現(xiàn)象.同時,大體積的塑料瓶使得本實驗有更多可“玩”的空間,可以向瓶內(nèi)放入顏色鮮艷的花朵或氣球,以強化實驗效果和增加實驗的趣味性.

(3)在探究“對空氣做功,內(nèi)能增大”時,可用不同力度、不同速度向瓶內(nèi)打氣,進行多次實驗,使結(jié)果更具有普遍性、嚴(yán)謹(jǐn)性.

(4)將“做功改變內(nèi)能”的兩個實驗進行一體化整合,用一套教具完成兩個實驗,整體性強,安全可靠.使學(xué)生對“做功改變內(nèi)能”的認(rèn)識更加系列化、結(jié)構(gòu)化.

5 結(jié)束語

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué),所有的情境都應(yīng)當(dāng)來源實驗事實[2],演示實驗的可視性便顯得尤為重要.基于可視化的實驗創(chuàng)新教具可以幫助學(xué)生更好地理解“做功改變內(nèi)能”的實驗結(jié)論和本質(zhì)內(nèi)涵[3-4].本實驗運用數(shù)字化測溫工具,將定性的實驗現(xiàn)象定量測量,使實驗過程和實驗結(jié)果可視化,讓學(xué)生從實驗現(xiàn)象、溫度變化曲線多角度對比理解抽象的知識,利于知識的內(nèi)化提升.