關(guān)于“做功改變物體內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)和創(chuàng)新

楊新宇+汪洋

摘 要：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)儀器的改良和創(chuàng)新，將“對(duì)氣體做功氣體內(nèi)能增加”和“氣體對(duì)外做功氣體內(nèi)能減少”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比呈現(xiàn).對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，數(shù)字溫度計(jì)指示的瓶?jī)?nèi)氣體溫度變化明顯，可以有效的說(shuō)明“對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能增加”和“氣體對(duì)外做功，氣體內(nèi)能減少”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以有效的培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察能力和分析能力.

關(guān)鍵詞：做功；內(nèi)能改變；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和分子間相互作用的勢(shì)能的總和，叫做物體的內(nèi)能.內(nèi)能是儲(chǔ)存在物體內(nèi)部的能量.如何改變物體的內(nèi)能，以及用明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示內(nèi)能的變化是中學(xué)物理的難點(diǎn).為了有效的幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，建立好“做功可以改變物體內(nèi)能”的知識(shí)點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)的定性分析和定量呈現(xiàn)兩個(gè)角度進(jìn)行改良和創(chuàng)新.

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)一： “空氣壓縮儀”實(shí)驗(yàn)，如圖1所示.

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案是：往空氣壓縮儀里面加注乙醚和棉花，然后迅速下壓活塞，觀察棉花是否燃燒.

這一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的缺陷是：與操作者的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)系，看似簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際演示過(guò)程中，有許多老師并不能確保實(shí)驗(yàn)成功.乙醚的著火點(diǎn)是160℃，棉花的著火點(diǎn)是150℃.乙醚的爆炸界限是：爆炸下限（%）1.9，爆炸上限（%）36.0.在低于爆炸下限和高于爆炸上限濃度時(shí)，既不爆炸，也不著火.這是由于前者的可燃物濃度不夠，過(guò)量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延；而后者則是空氣不足，導(dǎo)致火焰不能蔓延的緣故.而教師為了希望實(shí)驗(yàn)成功，往壓縮儀里注入比較多的乙醚，導(dǎo)致超出爆炸上限，實(shí)驗(yàn)不能成功.

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案：往空氣壓縮儀里裝火柴頭碎末，然后迅速下壓活塞，觀察火柴頭碎末是否燃燒.這一實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：火柴頭上主要含有氯酸鉀、二氧化錳、硫磺和玻璃粉等，實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全，并且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，只要往空氣壓縮儀中放入兩根火柴頭的藥量，實(shí)驗(yàn)都是成功的，避免因?yàn)楸ń缦拊斐傻膶?shí)驗(yàn)失敗.

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)二：將“對(duì)氣體做功氣體內(nèi)能增加和氣體對(duì)外做功內(nèi)能減少”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比呈現(xiàn).

“空氣壓縮儀”實(shí)驗(yàn)可以得出對(duì)氣體做功，氣體被壓縮，氣體的內(nèi)能增加這一結(jié)論.但是對(duì)于氣體膨脹對(duì)外做功，氣體內(nèi)能減少這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論不能得出，教材中也沒(méi)有這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助教學(xué).為了幫助學(xué)生突破難點(diǎn)，從定性和直觀的角度認(rèn)識(shí)“對(duì)氣體做功”和“氣體對(duì)外做功”兩個(gè)過(guò)程中氣體的內(nèi)能如何變化，物理組自制了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)輔助完成這個(gè)實(shí)驗(yàn).

關(guān)于實(shí)驗(yàn)儀器的說(shuō)明：如圖2所示.實(shí)驗(yàn)裝置介紹：踩踏式打氣筒；一個(gè)1.5L的礦泉水瓶，安裝在豎直面板上；在瓶蓋處安裝有氣門(mén)芯，它能使氣體進(jìn)得去出不來(lái)；瓶蓋用繩子與瓶身相連起到保護(hù)作用；在瓶的側(cè)壁上放入一個(gè)感溫探頭，用玻璃膠密封，感溫探頭連接數(shù)字溫度計(jì)，溫度計(jì)可時(shí)時(shí)顯示瓶?jī)?nèi)氣體溫度的變化，也反應(yīng)瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能的變化；為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的效果，事先放入幾滴酒精.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程介紹：將打氣筒與氣門(mén)芯相連，向瓶?jī)?nèi)打氣，觀察數(shù)字溫度計(jì)的示數(shù)，溫度計(jì)的示數(shù)在逐步的升高.將打氣筒拆下，輕輕旋開(kāi)瓶蓋，請(qǐng)大家注意觀察有什么現(xiàn)象，同時(shí)請(qǐng)注意實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性.在聽(tīng)到“砰”的一聲，可以清楚的看到溫度計(jì)示數(shù)快速下降，瓶里充滿(mǎn)了白霧，說(shuō)明氣體推動(dòng)瓶蓋對(duì)外做功時(shí)氣體的內(nèi)能減小.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1）在往礦泉水瓶里打氣時(shí)，溫度計(jì)的示數(shù)在逐步的升高這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明壓縮氣體做功，氣體的內(nèi)能會(huì)增加.（2）高壓氣體將瓶蓋推開(kāi)，聽(tīng)到“砰”的一聲，同時(shí)瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，溫度計(jì)示數(shù)降低.說(shuō)明酒精氣體發(fā)生了液化，瓶?jī)?nèi)溫度在急劇下降，說(shuō)明氣體推動(dòng)瓶蓋對(duì)外做功時(shí)氣體的內(nèi)能減小.

實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)：（1）將兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)方向用同一裝置對(duì)比完成，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程是前后串接聯(lián)系的.（2）實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.（3）實(shí)驗(yàn)裝置的組建成本低廉，并且有利于環(huán)保（選用1.5L的礦泉水瓶），可以適合在任何地域推廣.

實(shí)驗(yàn)的缺陷：氣體將瓶蓋推開(kāi)對(duì)外做功的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生劇烈的“砰”的巨響，會(huì)驚嚇到學(xué)生（需要在實(shí)驗(yàn)前提醒觀察者），會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲，給人帶來(lái)不舒適的感覺(jué)；同時(shí)還有可能高壓氣體在重開(kāi)瓶蓋的時(shí)候會(huì)將聯(lián)系瓶蓋與瓶身的細(xì)線(xiàn)扯斷，瓶蓋可能會(huì)傷害到人（從我們N次實(shí)驗(yàn)來(lái)看，還沒(méi)有發(fā)生過(guò)這種狀況.）

在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的道路上是永無(wú)止盡的，只要大家用心思考用心設(shè)計(jì)，都是可以找到更加的實(shí)驗(yàn)途徑，打造良好的實(shí)驗(yàn)方案，呈現(xiàn)正確的明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為學(xué)生呈現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)大餐.

參考文獻(xiàn)：

[1]本書(shū)編寫(xiě)組.義務(wù)教育教科書(shū) 物理九年級(jí)上冊(cè)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2013：7-10 .