機械能轉化為內能教學實驗裝置的研究與設計

柳延東

(賀州學院,廣西 賀州 542899)

機械能轉化為內能教學實驗裝置的研究與設計

柳延東

(賀州學院,廣西 賀州 542899)

實驗是物理科學的基礎。由于受各種條件的限制,物理教學經常會遇到實驗器材不足或實驗可操作性差等各種困難。具有自主知識產權的“機械能轉化為內能教學實驗裝置”根據傳統的“機械能轉化為內能”實驗的原理和該實驗的要求和目的設計而成,不但實驗裝置結構簡單、操作安全、便捷、效果明顯,而且便于演示和觀察,可以在一定程度上提高實驗教學的效果。

物理實驗;機械能;內能

1 引 言

物理學是一門以實驗為基礎的實驗科學。實驗是物理學的基礎,假說和理論是人們的思維對自然規律的反映,作為檢驗這種反映正確與否的標準不能是理論本身也不能是客觀對象本身,因為客觀對象并不能證明理論與對象是否一致,所以,只有物理實驗才有把人的思維同客觀世界聯系在一起的特殊條件。通過物理實驗可以發現物理規律或發現某種不為人知的現象[1]64。在物理教學中,實驗具有非常重要的作用和地位,實驗教學在培養學生觀察能力、分析能力、發現問題,解決問題能力及培養學生形成科學研究方法,樹立理論聯系實際的理念等方面具有其它教學方法不可替代的作用。可以說在物理教學中,理論與實驗同樣重要,理論是實驗的指導,實驗是理論的基礎。隨著社會對應用型人才需求的增加,特別是教育部發布了《基礎教育課程改革綱要(試行)》以來,教學尤其是物理教學在強調對知識的寬泛理解基礎上,更為重視對學生科學探究與實驗能力的培養[2]2。實驗在教學中的地位和作用也越來越引起人們的重視。可是在實際教學中我們還是不得不承認,在許多學校,物理實驗教學的實際情況并不樂觀,在日常教學中,物理實驗經常會遇到一些這樣或那樣的問題,這些問題常常使教師主動或被動放棄實驗。總結導致教師主動或被動放棄實驗的原因經常有:一是實驗有時具有一定的危險性,教師不敢進行實驗;再有就是實驗操作復雜且效果不明顯,實驗成功率過低,教師不愿進行實驗。本文所探討的“機械能轉化為內能教學實驗裝置”[3]是針對目前廣泛使用的教材中必須開設的“機械能轉化為內能”物理實驗課程的實驗裝置的改進,這個改進的“機械能轉化為內能教學實驗裝置”不需要什么特殊的裝置,所采用的材料、部件都是很容易找到或是很容易制作的,所采用的技術是很普及的普通技術,改進后的實驗裝置結構簡單、操作安全、便捷、效果明顯,便于演示和觀察,可以在一定程度上提高實驗教學的效果。

下面對“機械能轉化為內能教學實驗裝置”的設計思路和工作原理進行簡要說明,以期能夠給相關人士帶來一點啟示。

2 “機械能轉化為內能教學實驗裝置”背景技術

機械能轉換為內能、內能轉換為機械能是中學物理必須講授的重點教學內容之一。為了使學生更好的理解這部分知識,各種版本的中學物理教材都設有相關的實驗,傳統的物理教學中,機械能轉換為內能實驗多是用壓縮空氣引火儀來做演示。實驗的一般方法是:將浸過乙醚的棉花放入引火儀汽缸內,然用迅速壓下壓縮空氣引火儀的活塞壓縮汽缸內部氣體,對氣體做功,在壓力的作用下汽缸內部氣體溫度升高,達到乙醚的燃點,棉花球就會燃燒。本實驗雖然比較直觀地展現了機械能轉換為內能的過程,但是由于實驗過程過于復雜,實驗難度大,受多種因素的影響成功率低。利用壓縮空氣引火儀進行演示的種種困難困惑了不少人。針對這種情況筆者設計了這個“機械能轉化為內能教學實驗裝置”,這個裝置將電子技術與機械技術結合起來,整個實驗裝置結構簡單、操作安全、方便、效果明顯直觀,便于演示和觀察,而且實驗過程中不需要任何消耗性材料可無限制重現整個演示過程,可以在一定程度上提高實驗教學的效果。

3 “機械能轉化為內能教學實驗裝置”的研究與設計

3.1 “機械能轉化為內能教學實驗裝置”設計需求分析

傳統的機械能轉化為內能教學實驗的以下幾個方面需要改進:一是實驗裝置操作復雜,多種因素都可能引起實驗失敗。傳統的機械能轉換為內能實驗多是用壓縮空氣引火儀來進行的,這個實驗中,壓縮空氣引火儀一般要進行多次壓縮后汽缸中的壓力才能引起易燃物(浸過乙醚的棉花或硝化纖維等)的明顯燃燒,但由于前面幾次壓縮時雖然由于汽缸內有壓強不夠大,沒能引起汽缸內易燃物的明顯燃燒,但這種不明顯的燃燒有時也會消耗掉汽缸中原有的大部分氧氣,所以即使壓縮再多次,壓縮的力量再大也可能導致演示無法成功,并且如果操作不規范還可能因活塞與汽缸密閉性不好而導致汽缸內的壓力無法升高到易燃物(浸過乙醚的棉花或硝化纖維等)的燃點,易燃物不能被壓燃,導致實驗無法成功完成。而且根據教學進度安排,一般講到這一節內容時,基本進入了冬季,天氣已經轉冷,由于環境溫度低導致壓縮空氣引火儀內溫度同樣很低,要想達到乙醚的燃點需要更多的熱量,這就進一步加大了這個實驗的難度,因此這時做這個實驗其成功率就更低了;二是實驗產生的現象不明顯,實驗現象重復出現能力不強,本實驗中放置到汽缸內的易燃物數量是否適當直接影響實驗演示效果。乙醚多了,只能看到氣化現象,不能燃燒,并且由于乙醚有一定的毒性,用量過大有導致中毒的危險,也容易引起爆炸;乙醚少了,氣化現象都看不明顯,更觀察不到明顯的火焰,演示效果不明顯。為了提高實驗成功率和實驗效果,有些多資料上介紹用硝化纖維代替浸過乙醚的棉花,效果有所改進,但仍然不是很理想,并且由于硝化纖維的制取過程比較復雜,這種實驗方案使實驗準備工作量進一步加大,而且這個實驗重復操作很復雜,一次操作一般只能出現一次演示現象,要想演示現象再次出現必須重復整個實驗過程;三是實驗所需要的材料不容易獲得,本實驗中所用的乙醚揮發性強,極易燃燒和爆炸并且有一定的毒性,較小的學校或實驗條件較差的學校不易獲得這種實驗材料,目前一些資料中談到可以用硝化纖維代替乙醚,但硝化纖維的制備過程較為復雜,其可獲得性較乙醚更難;四是實驗材料本身具有一定的危險性,傳統的實驗中所使用的乙醚極易燃燒和爆炸并且具有一定的毒性。

3.2 “機械能轉化為內能教學實驗裝置”設計原理及實現方法分析

筆者在分析傳統實驗的不足基礎上進一步分析本實驗的原理并將電子技術各熱傳導技術結合起來對傳統的機械能轉化為內能教學實驗裝置進行了改進。具體設計如下:如圖1(機械能轉化為內能教學實驗裝置的操作單元示意圖)所示,這個實驗裝置主要由一個以高強度硼化玻璃為材料制成的“L”型的械能轉化為內能操作單元(M1)和一個由惠斯通電橋構成的溫度監測顯示單元構成。械能轉化為內能操作單元的直徑較大的圓筒內安裝有充氣活塞(B),可以通過抽壓活塞改變“L”型容器(M1)內部的氣壓。在直徑較小的圓筒內安裝有一個約20KΩ的熱敏電阻(Rt),溫度探測輸出端(N1、N2)通過兩根導線穿過“L”型容器(M1)的外壁與熱敏電阻(Rt)兩端連接。圖2(機械能轉化為內能教學實驗裝置的溫度監測顯示單元內部電路圖)中電阻(R1、R2)、電位器(R3)、檢流計(G)、電源開關(k1)直流電源(P1)及X1、X2端連接的熱敏電阻(Rt)組成一個惠斯通電橋,這個惠斯通電橋構成溫度監測顯示單元。當惠斯通電橋中 X1、X2所連接的熱敏電阻(Rt)的阻值發生變化時,檢流計的指針將發生較大的擺動[4]。因為熱敏電阻(Rt)置于“L”型容器(M1)內部,當(M1)內部氣體因壓強變化時必然導致內部溫度發生變化,這個變化會導致熱敏電阻(Rt)的阻值發生較大變化,通過惠斯通電橋的放大作用這個變化會引起檢流計(G)的指針將發生較大的擺動,借此可直觀的觀測到容器(M1)內溫度隨著內部壓強的變化而相應變化。

實驗時用力壓下活塞(B),壓縮容器(M1)內部空氣,發現檢流計(G)的指針按順時針向右發生較大偏轉,表明容器內溫度升高。這表明壓下活塞(B),活塞(B)對容器(M1)內部空氣做功,容器(M1)內部空氣內能增加溫度升高。利用這個裝置進行“機械能轉化為內能”演示實驗不需要任何消耗性材料,操作無任何危險,實驗過程任可任意重復進行,實驗現象直觀、明顯,可停留和任意重復再現,可在一定程度上提高實驗教學的效果。

3.3 “機械能轉化為內能教學實驗裝置”具體制作方法和操作方法

如圖1及圖2所示,這個“機械能轉化為內能教學實驗裝置”主要由一個以高強度硼化玻璃為材料制成的機械能轉化為內能操作單元和一個由惠斯能電橋構成的溫度監測顯示單元構成。

圖1中M1是以高強度硼化玻璃為材料制成的由兩個直徑不同相互貫通的圓筒構成的“L”型容器,大圓筒的直徑約為5cm,圓筒高15cm,小圓筒直徑約為2cm,圓筒長10cm。在直徑較大的圓筒內安裝有充氣活塞(B),可以通過抽壓活塞(B)減小或增大容器(M1)內部的氣壓。在直徑較小的圓筒內安裝有一個20KΩ的熱敏電阻(Rt),溫度探測輸出端(N1、N2)通過兩根導線穿過“L”型容器(M1)的外壁與熱敏電阻(Rt)兩端連接。S1是一個可以可開關的排氣閥門用于設定容器(M1)內部的初始氣壓。

圖2中電阻(R1、R2)、電位器(R3)、檢流計(G)、電源開關(k1)直流電源(P1)及X1、X2端連接的熱敏電阻(Rt)組成一個惠斯通電橋,封裝在一個塑料盒中,構成溫度監測單元,用于監測顯示“L”型容器(M1)內部溫度變化。R3是一個100KΩ電位器,用來調節檢流計(G)的靜態示數。當電橋中X1、X2所連接的熱敏電阻(Rt)的阻值發生變化時,檢流計(G)的指針將發生較大的擺動,借此表明溫度的同步變化。

因為熱敏電阻(Rt)置于“L”型容器(M1)內部,當(M1)內部氣體因壓強變化時必然導致內部溫度發生變化,這個變化會導致熱敏電阻(Rt)的阻值發生較大變化,通過惠斯通電橋的放大作用這個變化會引起檢流計(G)的指針將發生較大的擺動,按本實施例中的電流方向,當容器(M1)內溫度升高時熱敏電阻Rt溫度升高阻值會變大,而當熱敏電阻Rt阻值變大時,檢流計的指針按順時針向右發生較大偏轉,表示容器(M1)內溫度升高,機械能轉化為內能,內能增大,反之則表示容器(M1)內溫度降低,內能轉化為機械能,內能減小。

實驗時,將溫度監測顯示單元的探測輸入端(X1、X2)分別連接到機械能轉化為內能演示操作單元的溫度探測輸出端(N1、N2)上,然后打開排氣閥門(S1)將活塞(B)提起后再關閉排氣閥門(S1),閉合電源開關(K1),調節電位器(R3)使檢流計(G)的靜態示數指向“0”。然后,用力壓下活塞(B),壓縮容器(M1)內部空氣,活塞(B)對容器(M1)內部空氣做功,容器(M1)內部空氣內能增加溫度升高,熱敏電阻(Rt)的阻值將因溫度升高而迅速增大,惠斯通電橋的平衡被打破,檢流計(G)的指針將按順時針向右發生較大的擺動,表示容器內溫度升高。利用本裝置進行機械能轉化為內能教學實驗不需要任何消耗性材料,整個實驗過程可以無限制重復再現,可以使學生更直觀真切的觀察和理解機械能轉化為內能現象,大大提高實驗的成功率和實驗教學的效果。

該裝置結構簡單、操作安全方便、效果明顯便于演示和觀察,可以大大提高實驗教學的效果。

本“機械能轉化為內能教學實驗裝置”實施例中熱敏電阻(Rt)選用溫度系數較高的具有正溫度系數(PTC)型,額定電壓為6V的20KΩ熱敏電阻;R1、R2選用 20KΩ的碳膜電阻,電位器(R3)為100KΩ的小型電位器,檢流計(G)選用AC15型直流復射式檢流計;直流電源選用6V直流電源,可用四節AA電池串聯組成。其它元件無特殊要求。

4 結 論

物理學的形成與發展是以實驗為基礎的,實驗是物理科學的基礎,也是物理知識的源泉,物理實驗為開拓新理論、新領域奠定基礎。加強物理實驗教學是物理教學的時代特征,又是提高物理教學質量的先決條件。由于各種原因,在實驗教學中難免會遇到這樣或那樣的困難,但只要我們具備系統堅實的學科理論知識和精深的專業知識并具有較強的動手能力,在教學過程中注意觀察、勤于思考、勇于創新,在準確理解各種實驗的原理、實驗的要求和實驗的目的的前提下,創造性的對原的實驗方法、實驗設備進行改進和完善,就可以設計并制作出原理正確、啟發性強、操作方便的實驗儀器設備,使實驗收到事半功倍的效果,提高教學效果[5]115-117。

[1]李祖瑤.淺談物理實驗的意義[J].河南農業,2010(8).

[2]陳芳桂.中學生物理實驗能力的調查與研究[D].成都:四川師范大學,2007.

[3]柳延東.機械能轉化為內能教學實驗裝置[P].中國專利:CN201812407U,2011-04-27.

[4]柳延東.熱能轉化為機械能教學實驗裝置[P].中國專利:CN201812408U,2011-04-27.

[5]陳靜.淺談自制高校物理實驗教具的方法[J].新余學院學報,2011(6).

The Research and Design of Teaching Experimental Device of Mechanical Energy into Internal Energy Light

LIU Yan-dong
(Hezhou University,Hezhou Guangxi 542899)

Experiments are the basis of physical science.Due to various limitations,in particular the implementation process will always be the lack of laboratory equipment or laboratory difficulties and poor operability.in this article described a“The teaching experimental device of mechanical energy into internal energy”physics experimental device With independent intellectual property rights.This physics experimental device is designed that based on the principles and the requirements and purpose of the traditional“mechanical energy into internal energy”physics experiments.This new type of“mechanical energy into internal energy”teaching experiment device of simple structure,safe,convenient and obvious effect,ease of presentation and observation,to a certain extent,improve the effectiveness of experimental teaching.

Physics experiment;Mechanical energy;Internal energy

G424.31

A

1673-8861(2011)04-0141-04

2011-09-22

柳延東(1967-),男,黑龍江訥河人,賀州學院副教授。主要研究方向:現代教育技術。已申請30余項國家專利,已獲國家專利授權20余項。

賀州學院2009年課改課題(課題號:2009J GA44)

[專 利 號]本文中所涉及的“機械能轉化為內能教學實驗裝置”已申請兩項國家專利,已獲實用新型專利授權(專利號:CN201812407U),另一項發明專利已經受理并初步審查合格(專利申請號:201010508262.0,發明專利申請初步審查合格通知書發文號:2010122900406940)。