“紅外線的熱效應”實驗改進

蘇科版物理教材八年級（上）第四章和人教版物理教材八年級（上）第五章，都設計了“探究紅外線熱效應”的活動，如圖1所示。教材安排意圖一則想說明紅外線在紅光外側，二則想說明紅外線具有熱效應。但在實際教學中，教師們普遍反映，無法達到教材所預期的實驗現象——溫度計的示數根本就不會改變。

為了突破這個難題，筆者查閱了相關資料，并且進行了許多的嘗試和研究。筆者發現：將溫度計的玻璃泡涂黑，看不出現象；換用電子溫度計并且把探針涂黑，現象還是看不出；換用演示用的大三棱鏡，現象還是看不出。

圖1

這個實驗到底能否成功？如果能，應該如何加以改進呢？筆者經過一段時間的研究、嘗試，歸納出了如下幾點，并且分別進行了改進，以供大家商討。

一、改進“溫度計”，使現象放大更明顯

考慮到經過三棱鏡折射得到的紅外線強度較小，同時普通溫度計測溫液體比熱容和質量都較大且玻璃泡向光面積較小，使得測溫液體的膨脹量少，導致現象不明顯。下面就對以上缺點進行改進——自制“空氣溫度計”。

器材準備：收集3～5根透明、細、薄的吸管或已經用盡的細圓珠筆芯，最好是某些藥品口服液所用的吸管；少量紅色水；5cm×15cm白色硬紙板一塊；電工用的黑色絕緣膠帶10cm左右。

制作過程：如圖2所示，將吸管一端浸入紅色水內約0.5cm，用手指堵住上端，將吸管提出，再逐漸傾斜吸管，慢慢松開堵住的手指，使液柱下降約3～5cm左右（視吸管長度而定，如果吸管較長，液柱可以下降的多一點，盡量使封閉的空氣柱短一點）。然后將另外一端也用手指堵住，將下端在液態蠟燭油上蘸一下，待蠟燭油凝固后即可。重復再做四根，最好使五根吸管內的液柱在同一高度處，如果有困難，可以在排放時再調節。然后將五根吸管依次靠近擺放在白色硬紙板上，用黑色絕緣膠帶將其固定住。黑色絕緣膠帶的作用是固定吸管，同時也可使紅外線吸收更多一點。建議將五根吸管內的紅色液柱調整到同一高度，便于觀察和比較。這樣，自制“空氣溫度計”就制作完工了。

圖2

使用方法：自制“空氣溫度計”可以根據需要在豎直方向和水平方向同時使用。由于實驗時無法精確定位紅外線的位置，因此，實驗時可以將自制“空氣溫度計”的黑色絕緣膠帶平放在紅光外側，觀察和比較五根吸管內液柱的上升情況來進行實驗。由于紅外線的吸收需要一定時間，所以在實驗過程中，應等待大概50s左右，就會發現液柱有明顯上升或者移動。

二、改進紅外獲取方式，使現象更明顯

在常規實驗TZ5Efe7IzqE9Ec+hpxgsH/0GDuYUtsUrwtgJfgxgecY=中，使用的三棱鏡單個表面透光面積都比較小，導致折射得到的紅外線強度也較小。為了能使“紅外線的熱效應”現象明顯顯示，就要通過改進獲取方式得到更多的紅外線，同時將其強度增加。

依據：通過查閱相關資料獲知，化學中的二硫化碳和四氯化碳都能很好地透過3.4μm波長的紅外光；球形容器注有液體后可以對光線具有匯聚作用。

器材準備：容量200ml，口徑14mm的短頸圓底燒瓶一個（也可以選用其他規格），帶對應軟塞；200ml左右的二硫化碳或四氯化碳（二硫化碳或四氯化碳常態下都是液體，有毒，需要注意安全保護）；黑色碳素墨水一瓶；滴管一支；適量石蠟；普通溫度計（或電子溫度計）一支；白色硬紙板一塊；雙面膠若干；筆一支。

制作過程：如圖3所示，將短頸圓底燒瓶注滿水，按如圖所示組裝。將白色硬紙板用雙面膠固定在鐵架臺底座上（也可以直接在地上放一張白紙）。通過上下調節支架，使得太陽光在白色硬紙板匯聚成較小的亮斑，用筆標上記號為A。將短頸圓底燒瓶內的水倒掉，注入適量的二硫化碳或四氯化碳（大約180ml左右），用滴管向短頸圓底燒瓶內加注黑色碳素墨水適量（視顏色而定，感覺黑的可以即可），稍微搖晃一下，使其充分混合，然后用塞子塞緊，最后用石蠟將塞口密封。

圖3

實驗方法：將注有適量二硫化碳或四氯化碳的短頸圓底燒瓶再次組裝到鐵qtEEJlmphdUMcvjTcwnJQm9xmOTeOmS9hTMrWXxDeR8=架臺上，夾子所夾位置與第一次吻合。這時太陽光中的可見光都被瓶內液體吸收，透過的幾乎全部是紅外線。但是由于紅外線的波長比可見光長，其頻率比可見光低，所以通過短頸圓底燒瓶后折射角度比可見光小，因此紅外線的匯聚點應該在A點右側。

將普通溫度計的玻璃泡用黑色碳素墨水涂黑（或將電子溫度計的探針涂黑）將其放置在A點右側緩慢移動，尋找紅外線的匯聚點，很容易就發現溫度計的示數有較大上升。

三、改進紅外光源，使現象更明顯

太陽光譜上紅外線的波長大于可見光線，波長為0.75～1000μm。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為（0.75-1）～（2.5-3）μm之間；中紅外線，波長為（2.5-3）～（25-40）μm之間；遠紅外線，波長為（25-40）～l000μm之間。如果天氣不好，或其他原因，以上改進無法滿足的情況下，可以通過改進“紅外線光源”來完成實驗。

可以替換太陽光中紅外線的光源有：

1.白熾發光區（Actinic range），又稱“光化反應區”，由白熾物體產生的射線，自可見光域到紅外域。如白熾燈泡（鎢絲燈，TUNGSTEN FILAMENT LAMP）。

2.鹵素燈所發出的光95%在紅外線波長的范圍之內，能量特性基本上與紅外線燈相同。

3.熱體輻射區（Hot-object range），由非白熾物體產生的熱射線，如電熨斗及其他的電熱器等，平均溫度約在400℃左右。也可以將普通鐵球加熱之后替代。

以上的前兩個“紅外光源”可以直接和改進二進行結合使用，實驗現象經過檢驗非常明顯，而且可以使用普通溫度計，將玻璃泡涂黑。對于第三個“紅外光源”，以加熱后的鐵球為例，可以進行以下簡單改進，如圖4所示。

圖4

鐵球位置應該在凹面鏡焦點位置，該位置可以用小燈泡或蠟燭火焰來測定。另外，鐵球加熱溫度不要太高，也不要太低，可以加熱幾次嘗試一下，以碰到水就能使水快速汽化為標準。

四、操作建議和注意事項

1.在自制“空氣溫度計”的環節中，可以找一些較長的管子，但是粗細仍然要注意，不要選擇內徑大的，應該選擇內徑小一點的。在制作時，讓液柱距離頂端有一段距離，這樣可以和改進二中的器材配合使用，否則容易把液柱全部排擠出吸管。

2.在“改進紅外光源”環節中，一定要特別注意安全。二硫化碳和四氯化碳都有毒，因此在操作時要戴口罩和手套，并且請化學實驗員幫助進行。此外，二硫化碳極易燃燒，所以在操作過程中一定要遠離明火，注意安全。

3.如果化學實驗室沒有二硫化碳或四氯化碳，也可以換用其他“紅外線光源”。

以上各部分的改進可以根據實際情況進行組合使用，如果選擇了較大強度的“紅外線光源”，就不要自制“空氣溫度計”了，因為現象很明顯，會很容易就把液柱排擠出管外，采用普通溫度計將玻璃泡涂黑即可。