關于物體熱脹冷縮性質的演示

甘志中

在初中物理“溫度計”這一節中,提到常用的溫度計是利用水銀、酒精或煤油等液體的熱脹冷縮性質來測量溫度的,什么是物體的熱脹冷縮性質?有的學生不理解,有的學生將信將疑。針對這種情況,筆者設計3個實驗,分別對固體、液體、氣體的熱脹冷縮的性質加以演示。

固體熱脹冷縮性質的演示

固體的熱脹冷縮系數小,熱脹冷縮現象不明顯,不易觀察,必須用放大的方法,才能把它的這種性質清楚地顯現出來。于是,筆者設計下面的實驗裝置加以演示。

實驗器材木制支架,酒精槽(可用鋁合金邊角料代替),平面鏡,激光棒,銅線,橡皮筋,棉花。

實驗原理和步驟1)如圖1所示,裝好實驗裝置。用橡皮筋壓緊激光棒的開關,調節激光棒的位置,讓激光射到平面鏡上,并通過平面鏡,將激光反射到較遠的墻上(墻上出現清晰的光斑)。2)往酒精槽內放入棉花并倒入酒精,然后點燃。隨著加熱的進行,可觀察到墻上的反射光斑在移動。經分析可知,這是由于酒精槽上方的鐵絲受熱膨脹,長度變長,推動平面鏡,從而使激光射到平面鏡的入射點和放射角發生變化,反射光線隨之改變引起的。

撤去酒精槽,讓鐵絲自然冷卻,可觀察到墻上的光斑向相反的方向移動,容易得知,這是由于鐵絲遇冷收縮,長度變短引起的。

液體熱脹冷縮性質的演示

液體熱脹冷縮的效果也不明顯,同樣需要用放大法才能觀察到,為此,筆者設計下面的實驗裝置。

取一只錐形瓶,在錐形瓶的橡皮塞中插一根細玻璃管和2根粗銅絲,再在粗銅絲間接入一段電阻絲。在錐形瓶中裝滿煤油,將橡皮塞塞緊,使細玻璃管中煤油的液面高度跟玻璃管的標度紙上的零標度線對齊,然后閉合開關。這時可以觀察到煤油在細玻璃管里會上升。這是由于電流通過電阻絲產生的熱量使煤油的溫度升高、體積膨脹引起的。斷開開關,讓煤油自然冷卻,可觀察到煤油在細玻璃管里下降。這是煤油的溫度降低、體積收縮的結果。

氣體熱脹冷縮性質的演示

氣體的熱脹冷縮性質明顯,便于觀察,筆者設計下面的裝置來演示。

如圖2所示,試管的出氣管制成U形,并在U形管內注入一定深度的有色水,不加熱時,2玻璃管內的水面是相平的。當塞進瓶塞,用酒精燈對空試管均勻加熱時,可以看見左邊玻璃管內的水在下降,右邊玻璃管內的水在上升,左右玻璃管里的水面出現高度差。容易知道,這是由于試管里的空氣受熱體積膨脹,而向下推動左管水面引起的。撤去酒精燈,讓試管里的空氣自然冷卻,可觀察到左管水面上升,而右管水面下降,直至2管水面相平。這是由于試管里的空氣溫度降低,體積縮小而引起的。

上面3個實驗,通過用放大的方法,把物體細微的變化放大到學生能觀察到的變化,使學生對物體的熱漲冷縮性質更加信服,不再懷疑。同時又激發學生用實驗解決問題的欲望,培養學生實驗的興趣。

(作者單位:江西省進賢縣第三中學)