做功改變物體內能實驗的創新思考及實踐

丘嘉東

摘 要：在人教版九年級物理教材中，關于《內能》的實驗教學引入了相應的實驗來驗證“做功改變物體內能”，在教學中發現，雖然教材中的實驗操作簡單，但是相應的實驗現象并不是特別明顯，缺乏說服力。對此，本文就“做功改變物體內能”的相關實驗進行了改進和創新，希望能夠更加直接地將做功與物體內能之間的關系呈現出來，加深同學們對于相關知識的理解和認知。

關鍵詞：做功改變物體內能實驗 創新 實踐

引言

任何物體中都有內能的存在，想要對物體的內能進行改變，一般有兩種方式，一是做功，二是熱傳遞。從現實生活中的很多現象，都可以看出熱傳遞對于物體內能的改變，而做功改變物體內能因為現象不夠明顯直觀，很多時候并不能被學生理解和接受。面對這樣的問題，如何通過相應的實驗，證明做功可以改變物體內能，是相關知識學習中需要重點考慮的問題。

一、教材實驗

高中物理教材中，提到物體內能的地方不少，很多同學在學習中往往對于內能這種看不到摸不著的概念感到茫然不知所措，很容易將其與機械能混淆，也無法準確掌握內能與熱能的關系。對此，可以回歸初中教材中關于內能的相關知識，以“做功改變物體內能”實驗，來對內能的相關知識進行復習鞏固。

人教版九年級物理課本中，第十三章第二節《內能》教學中，為了加深學生對于相關知識的理解和認知，設計了“做功改變物體內能”的相關實驗，實驗設施如圖1所示。

圖1（a）為“空氣引燃儀”實驗，在厚壁玻璃筒內，設置一團硝化棉，通過下壓活塞的方式，增加管體內空氣的內能，硝化棉會隨之燃燒；圖2（b）為“壓縮空氣對瓶塞做功”實驗，在燒瓶內放入適量水，通過活塞來向瓶內充入空氣，當上部瓶塞跳出后，可以看到燒瓶內出現了白色霧氣，表明氣體膨脹后，內能減少，瓶內溫度下降使得水蒸汽液化成了水滴。

這樣的實驗設備和操作都非常簡單，也可以看到較為明顯的實驗現象，但是在課堂操作中也存在不少問題：“空氣引燃儀”實驗即便是一些有經驗的老教師也無法確保每次都成功，而且實驗存在一定的危險性；“壓縮空氣對瓶塞做功”實驗主要體現的是氣體對外做功，內能的減少會造成溫度下降，但是僅僅通過瓶內的白霧并不能直觀顯示出內能減少，可信度相對較低。如何對相應的實驗進行改進創新，在保證實驗操作安全性的前提下，使得其效果更加明顯，以促進學習質量的提高[1]。

二、創新實驗

考慮教材中提到的兩個實驗在前半段存在很大的相似性，將兩者合并成一個實驗，通過實驗裝置和實驗方法的創新來提升實驗效果。

1.實驗裝置創新

利用化學實驗中比較常見的葫蘆狀球形容器，配備相應的導氣管以及橡膠塞（2個）、打孔器（1個），數字式電子溫度計，打氣筒、橡膠管，酒精以及少量水作為創新實驗的器材。將葫蘆狀球形容器放置在水平桌面上，確保其穩定，在橡膠塞中間打孔，以電子溫度器探頭導線穿過孔洞，外露部分的長度為3cm左右，需要利用蠟進行密封。將容器下球孔蓋子取下，在下球側壁孔塞入剛剛處理過的橡膠塞，為了避免實驗過程中探頭導線脫落，以橡皮筋將其固定在開口位置，導線另一側連接數字式電子溫度計。利用細線拴住另一個橡膠塞，將線的另一頭固定在容器細腰部分，然后將橡膠塞壓入容器正上方孔內，注意不要壓的過緊。利用橡膠管一端連接容器上球側孔導氣管，在這里需要注意，如果采用的是新式容器，因為容器本身設置有相應的玻璃導氣管，可以實現與橡膠管的直連；如果采用的是舊式容器，設置的并非玻璃導氣管而是側孔，需要增加膠塞與玻璃彎管，形成相應的導氣管后，才能與橡膠管進行連接。橡膠管的另一頭連接打氣筒，為了保證連接的牢固性，可以利用細線對連接位置進行固定，使用的橡膠管長度約在60cm左右，實驗裝置如圖2所示。

2.實驗方法創新

在完成實驗裝置的組裝后，教師就可以進行相應的實驗操作了。首先需要在容器內部加入少量水和酒精，水的容量在10-15ml左右，酒精則只需2-3滴，加入酒精的目的，是利用酒精本身的揮發性，確保在實驗過程中，能夠呈現出更加明顯的霧化現象，提升實驗的可信度。打開數字式溫度計，對溫度計顯示的溫度數值進行記錄，填寫到實驗記錄表格（見表1）的“初始溫度”欄[2]。

利用打氣筒，經橡膠管向容器內打入氣體，同時觀察溫度計顯示數值的變化，會發現，伴隨著氣體的持續充入，溫度計上顯示的數值會逐漸上升。繼續打氣直到橡膠塞被容器內膨脹的氣體沖開，溫度計數值達到最大值，而且超過室內溫度，在實驗記錄表中，將相關數值記錄在“打氣過程中的最高溫度”一欄。在橡皮塞被沖開的瞬間進行觀察，會發現容器口和容器內部出現了大量白色霧氣，且此時溫度計的讀數會開始逐漸下降，達到最低值，這時瓶內的溫度會對于室內溫度，在實驗記錄表中，將相關數值記錄在“瓶塞噴出后的最低溫度”一欄。實驗到此并沒有結束，等到溫度計顯示的數值逐漸回到室溫后，還應該重復上述實驗步驟5次，對每一次實驗的相關數據進行記錄，最后取平均值作為實驗結果，以此來保證實驗的有效性和可信度。

舉例說明：在壓緊橡膠塞后，溫度計顯示的溫度是26.0℃，這個溫度為初始溫度，打氣兩次后，溫度數值上升，顯示為26.6℃，再打氣兩次，溫度上升到27.0℃，繼續打氣一次，瓶塞噴出，溫度計呈現出的溫度達到最高值，為27.2℃，記錄為最高溫度。瓶塞噴出后，瓶內溫度降低，溫度計讀數為24.3℃，記錄為最低溫度，等待十幾秒后，溫度回歸到初始26.0℃。當然，這里的打氣次數并不固定，如果橡膠塞塞得比較緊，可能需要多打幾次，反之則會少打幾次。

實驗結束后，取下連接在容器上的橡膠塞和橡膠管，然后倒出容器內的溶液，對其進行清洗，并關閉數字式電子溫度計，將電池取出。

對比教材中的實驗，改進后的實驗安全性更強，現象更加明顯，同學們自主進行實驗，老師從旁指導。而且數字式溫度計的使用，使得做功對于內能的改變能夠通過溫度數值的變化更加直觀的體現展示出來，推動了實驗結果從定性到定量的轉變，有著良好的效果。

三、再次創新

上述改進實驗在實踐教學中取得了較好的反響，不過也出現了一定的不足，即實驗裝置并不能切實保證做功氣體的質量固定不變，因此可能會存在一定誤差。分析問題產生的原因，主要是打氣筒每次打氣都會向容器內注入新的氣體，這樣會導致內部氣體質量的改變，基于此，利用注射器取代了打氣筒，其他部分保持不變，這樣能夠避免容器內氣體質量固定，但是又引發的新的氣體，即注射器本身有限的容積僅僅能夠對氣體進行輕微壓縮，即便將其推到底，溫度計的讀數變化也很小，僅有0.2℃，這樣的做功并不足以推動橡膠塞，更不可能在容器內形成白霧，即便更換大容積注射器，同樣無法呈現出明顯的實驗效果[3]。

在上述方式行不通的情況下，從縮小容器容積的角度著眼，將葫蘆狀容器更換成了“U型試管”，保持其他部分不變，能夠滿足實驗需求。在實踐中發現，這種改進同樣存在不足，一是裝置本身無法直立，在橡膠塞橫向噴出的情況下，內部現象不明顯；二是試管壁相對脆弱，實驗中可能出現破碎，安全性無法保證。

對此，繼續沿用之前的思路進行實驗改進，利用密封膠空桶配合相應的填縫槍來取代之前的打氣筒，保持其他部分不變，構建相應的實驗裝置（見圖3）。

實驗裝置組裝完成后，依照之前的實驗步驟，在容器內加入水和酒精，設置好數字式溫度計，做好溫度記錄。然后將橡膠塞2取下，拉出填縫槍的頂桿，再壓緊橡膠塞，扣動扳手可以推動頂桿前進，對內部空氣進行壓縮。在這個過程中，需要時刻關注溫度計數值的變化情況，在密封良好的情況下，溫度計顯示的數值會逐漸上升，通過連續扣動扳手的方式，可以實現對容器內氣體體積的持續壓縮，直至橡膠塞被頂出，此時溫度計示數達到最大值。橡膠塞被頂出的瞬間，觀察瓶內和瓶口，白霧清晰可見，溫度計數值開始下降，達到最低值。同樣，為保證實驗結果合理，等到溫度計顯示的數值逐漸回到室溫后，還應該重復上述實驗步驟5次，對每一次實驗的相關數據進行記錄，最后取平均值作為實驗結果，以此來保證實驗的有效性和可信度。

舉例說明：壓緊橡膠塞2后，溫度計顯示的溫度是26.0℃，這個溫度為初始溫度，扣動扳手兩次，溫度數值上升，顯示為26.6℃，再扣動扳手兩次，溫度上升到27.0℃，繼續扣動一次，瓶塞噴出，溫度計呈現出的溫度達到最高值，為27.2℃，記錄為最高溫度。瓶塞噴出后，瓶內溫度降低，溫度計讀數為24.3℃，記錄為最低溫度，等待十幾秒后，溫度回歸到初始26.0℃。

實驗結束后，依照上述流程，對實驗裝置進行處理。

相比較之前的實驗，再次改進后，實驗裝置能夠切實保證做功氣體的質量固定，實驗結果更加嚴謹，而且氣體壓縮更加簡單，操作更加方便，可以對每一次壓縮的氣體量進行控制[4]。

結語

總而言之，內能是初中物理教學中一個非常重要的組成部分，但是其本身的知識較為抽象，理解和學習都存在一定的難度。針對教材中“做功改變物體內能”的相關實驗進行了改進和創新，通過更加安全、更加嚴謹的實驗步驟和更加合理的實驗結果，能夠幫助同學們更好地理解相關知識，保證學習效果。

參考文獻

[1]楊新宇，汪洋.關于“做功改變物體內能的實驗”的改進與創新[J].中學物理：初中版，2017，35（9）：27.

[2]劉立華，李洪清.做功改變物體內能的實驗改進[J].物理通報，2015，（5）：76-77.

[3]趙興華，做功改變氣體內能實驗的創新設計[J].實驗教學與儀器，2014，31（z1）：65-66.

[4]張有建，李鳳嬌.做功改變物體內能實驗儀器的改進[J].中學物理，2018，（8）：24-25.