巧用家用料理機演示摩擦力做功

陳翠平

摘 要：在焦耳熱功當量的實驗中，讓重物緩慢下落帶動固定在轉軸上的葉片旋轉，葉片攪動水通過摩擦力對水做功，從而使水的溫度升高。焦耳的實驗理論上講很容易理解，實際操作該實驗卻很困難。如果采用料理機的攪拌模式，直接讓電機帶動葉片攪動水做功，不僅可以達到相同的效果，同時還更便于操作和控制變量。

關鍵詞：料理機 ;演示;摩擦力做功

在高中物理選修3-3第十章第一節內容《功和內能》中，焦耳的第一個代表性實驗如下：將水裝在絕熱容器內，讓兩端的重物緩慢下落帶動固定在轉軸上的葉片旋轉，葉片攪動水通過摩擦力對水做功從而使水的溫度升高。多次實驗測量表明：盡管重物的質量，下落高度，次數不同，但只要在重物下落過程中對水做功相同，水的溫度升高量就相同，即系統的熱力學狀態變化相同。焦耳的這個實驗原理很簡單，從能量的角度來講就是重物緩慢下落過程中，減少的重力勢能通過摩擦力做功的方式轉化成系統增加的內能。但實際操作中有兩點實現起來很困難：

第一點：要恰好讓重物緩慢下落很困難。每次必須保證重物重力在轉軸上的力矩恰好等于水的摩擦力給葉片的力矩才能保證重物是緩慢或者勻速下落的。在實驗的實踐過程中，如果去調節這兩個力的力矩恰好相等操作很困難，需要多次試驗才能確定重物是否勻速下落。

第二點：實驗過程很困難。理論數據來講，如果讓總質量為26.320kg的重物，每次下落160.5cm，連續下落20次，才能使1kg的水溫度升高1.971℃。像這樣大型的實驗如果要作為演示實驗，在教室里課堂上現場完成演示過程幾乎不可能。

如果想要在課程中完成演示過程就需要尋找替代實驗。隨著科技的不斷發展，現在的料理機功能很齊全。但所有的功能根據是否加熱可以分為兩大類：一類是只葉片攪拌不加熱，如“冰沙”、“果汁”等模式;另一類是葉片攪拌并加熱，如“豆漿”、“米糊”等模式。如果我們選取不具加熱功能的“冰沙” 模式，只讓葉片來攪拌水做功便可以模擬焦耳的這個實驗，由原始實驗中讓重物下落帶動葉片攪動水做功替換為讓電機來帶動葉片攪動水做功，共同點都是葉片攪動水通過摩擦力對水做功從而使水的溫度升高。

筆者選用的是GUGE品牌的家用料理機，該料理機“冰沙”模式下每個攪拌周期均為90s。實驗過程中，筆者讓料理機采用“冰沙”模式，連續攪拌4個工作周期，300ml水的溫測量依次顯示如下圖所示：

水的初始溫度為26.0℃，一個攪拌周期后溫度升高為30.1℃，兩個攪拌周期后溫度升高為34.1℃，三個攪拌周期后溫度升高為38.4℃，四個攪拌周期后溫度升高為42.4℃。

不管“冰沙”模式下電機帶動葉片如何轉動，但完全相同的模式下料理機默認轉動方式是完全相同的。如果令葉片在一個完整的周期內攪動水做的總功為W0，那么完全相同的兩個周期葉片攪動水做的總功必然為2W0，以此類推，三個周期，四個周期做的總功必然為3W0，4W0。

實驗數據顯示：第一次做功W0時，水的溫度升高了4.1℃;第二次做功W0時，水的溫度升高了4.0℃;第三次和第四次做相同的功時溫度升高量分別為4.3℃和4.0℃。可見，只要每次對300ml水這一系統做相同的功W0，水系統的溫度升高量在誤差允許范圍內是相等的。由此我們可以得出跟焦耳實驗同樣的結論：對熱力學系統做相同的機械功，系統溫度升高量相同，即系統熱力學狀態變化相同。

采用料理機攪拌模式來演示替代原始實驗后有兩大優勢：

第一方面：讓料理機的電機帶動葉片攪動水做功，完全的電子化。不用人為不斷去調節力矩平衡的問題，現在只需要打開電源、調節到“冰沙”模式、開始啟動電機工作就可以了，這使得本實驗的可操作性明顯增強的同時實驗難度也大大降低。

第二方面：由于可操作性增強，可以在課堂上實際演示，學生可以通過實際的觀察溫度計示數的變化，真切的體驗到如果對系統做機械功，系統的狀態會發生變化;做相同的機械功W0，系統的狀態變化量相同。同時給學生以情感態度價值的引導：平時生活中應該善于思考和利用身邊常見的事物來服務于我們的學習和研究，就地取材方便又實用。

綜上所訴，在課堂中完全可以利用家用料理機的“冰沙模式”攪拌水做功，來替代完成焦耳的代表性實驗，這樣既給我們的教學帶來了科學性，也給學生的學習帶來了樂趣性。

參考文獻：

[1] 普通高中課程標準試驗教科書 選修3-3 [M]人民教育出版社，2011（18）：50-51.

[2] 精準高考一輪總復習—物理[M]中國和平出版社，2017（6）：239-240.

[3] GUGE品牌多功能家用料理機使用說明書.