熱傳遞可視化實驗設計

張春斌,王妍琳

(1.深圳實驗學校 高中部， 廣東 深圳 518055;2.六約學校，廣東 深圳 518173)

由于熱傳導及熱對流2種熱傳遞的方式也比較抽象,在實際教學中，教師需要通過實驗增加學生的感性認知，將抽象的內容可視化，從而更加形象生動地傳授知識.

1 熱傳導可視化實驗

教材中的熱傳導實驗是采用蠟滴將火柴粘在金屬絲上，觀看火柴掉落的先后順序來推斷熱量的傳遞方向. 實驗存在以下不足：1)蠟滴涂得不同，可能導致實驗失敗；2)只能看到這幾個點的變化，不能將整個熱傳導過程呈現出來；3)蠟滴融化后滴在桌上，難以清洗，若不慎滴在手上會燙傷；4)金屬絲需加熱到極高溫度，才足以使另一端的火柴掉落，實驗存在安全隱患.

1.1 用感溫變色指甲油實現熱傳導的可視化

1)熱在鋼尺中的傳遞過程和方向

實驗材料:感溫變色指甲油1瓶(常溫下綠色，當溫度達到45 ℃時變成黃色)，鋼尺1把，玻璃杯，溫水，酒精燈.

實驗過程:將感溫變色指甲油涂在鋼尺上，將涂有變色指甲油的鋼尺一端浸在熱水中，觀察鋼尺顏色的變化. 熱水一端立即由綠色變成黃色，隨后黃色由浸沒在熱水的一端逐漸擴散到鋼尺頂部(如圖1所示)，可以看出熱從溫度高的一端傳遞到溫度低的一端. 將涂有變色指甲油的鋼尺中間加熱，觀察指甲油顏色的變化，中間加熱部分立即由綠色變成黃色，隨后黃色由中間逐漸擴散到鋼尺兩端[如圖1(b)的示]，即可以“看到”熱量從溫度高的部分傳遞到溫度低的部分.

(a)鋼尺一端浸入熱水中 (b)從鋼尺中間加熱圖1 鋼尺的熱傳導

1.2 熱在鐵盤中的傳遞過程和方向

實驗材料：涂感溫變色指甲油的鐵盤，酒精燈.

實驗過程：用酒精燈給涂有溫變指甲油的鐵盤邊緣加熱，觀察顏色的變化. 加熱的一端立即由綠色變成黃色，隨后黃色由點逐漸擴散到周圍[如圖2(a)],可以“看出”熱從物體溫度高的部分傳遞到溫度低的部分.

將涂有變色指甲油的鐵盤中間加熱，觀察顏色的變化，中間加熱部分立即由綠色變成黃色，隨后黃色由中間逐漸擴散到周圍[如圖2(b)所示]，可以看出熱從物體溫度高的一部分傳遞到溫度低的另一部分.

(a)加熱鐵盤一端 (b)加熱鐵盤中間圖2 鐵盤加熱時熱傳導

1.3 銅鐵鋁的傳熱性能對比實驗

實驗材料:涂有感溫變色指甲油且大小形狀相同的銅棒、鐵棒、鋁棒各1根，1杯熱水.

實驗過程:將涂有感溫變色指甲油的銅棒、鐵棒、鋁棒插入熱水中，浸沒相同的高度. 可以看到靠近熱水一端的指甲油慢慢變成黃色，并逐漸向上擴散[如圖3(a)所示]，鋁棒顏色變化最快，銅棒次之，鐵棒最慢[如圖3(b)]. 由實驗可知，鋁的導熱性比銅強，銅的導熱性比鐵強.

(a)3根金屬棒插入熱水中 (b)最終變色對比 圖3 鋁棒、銅棒、鐵棒導熱性能對比圖

1.4 注意事項

1)感溫變色指甲油的選擇：根據實驗需要，選擇約45 ℃左右變色的指甲油較為適宜.

2)由于采用45 ℃溫變指甲油，因此無需采用沸水(60 ℃左右即可)或長時間加熱(10s左右即可)，以免燙傷或引燃指甲油.

2 熱對流可視化實驗

2.1 傳統實驗不足

文獻[2]記載的方法是加熱水，觀看水中木屑的運動. 實驗存在問題為：加熱慢，需要等待很長時間；一大杯熱水，存在安全隱患；難以看到熱對流的循環路徑.

2.2 熱對流的可視化實驗

實驗材料：利用有機玻璃板制成的裝置、蠟燭、蚊香、打火機.

實驗過程:切割有機玻璃板，組成正方體形盒子，中間隔開但不隔到底部，上下面通透，后面貼著黑色紙板，以方便清晰地看到白色的煙霧.

在右下方放置1根點燃的蠟燭，蠟燭與中間隔板下方空隙等高. 在左上方放著點燃的蚊香，即可以看到左邊的煙向下飄，再從右邊向上升，由此可以觀察到熱對流現象，如圖4所示，為了讓實驗現象更加明顯，可以在蚊香上滴1點蠟油，這樣煙會很濃.

(a)截面示意圖 (b)實物圖圖4 熱對流實驗裝置