“做功改變物體內能”的實驗裝置

浙江省北侖中學 張皓洋

華東師范大學出版社出版的九年級上冊《科學》中，“物體的內能”這一節有兩個實驗，分別是“壓縮空氣發熱”和“蒸汽對外做功”。前者說明外界對氣體做功，氣體內能增加，后者說明氣體對外做功，氣體內能減少。

有的老師在演示“壓縮空氣發熱”實驗時，因操作不當導致厚壁玻璃筒爆炸破裂，造成傷人事故。演示“蒸汽對外做功”實驗時，如果外界溫度較低，水沸騰后產生的高溫水蒸氣在試管口遇冷液化會出現水霧，不能很好地說明氣體內能減小是由氣體對外做功引起的。

為了克服上述缺點，我整合了上述兩個實驗，設計了“做功改變物體內能”的實驗裝置，通過該實驗的直觀演示，得出“外界對氣體做功，氣體內能增加”和“氣體對外做功，氣體內能減少”。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

一、實驗原理

本實驗運用創新技法中的組合法，把“壓縮空氣發熱”和“蒸汽對外做功”實驗巧妙地組合在同一個實驗中。

關閉閥門，對針筒中的氣體進行壓縮做功，氣體內能增加，探針溫度計示數上升，進而說明壓縮空氣做功，內能增加；打開閥門，壓縮的高壓氣體沖出，推動小葉輪轉動，探針溫度計示數降低，進而說明氣體對外做功，內能減少。

針筒內的氣體被壓縮到一定程度后，想要繼續壓縮就需要較大的力，且固定活塞較難，于是我把玻璃膠槍用在了本裝置中。

二、材料準備

玻璃膠槍，塑料大針筒，酸式滴定管，探針溫度計，卡紙，鐵絲，木板，螺絲釘，玻璃膠等。

三、裝置制作

1.針筒前端用玻璃膠連接酸式滴定管，該酸式滴定管上裝有閥門。

2.玻璃膠槍的推進器通過螺絲釘固定在針筒活塞上。

3.針筒通過螺絲釘固定于玻璃膠槍內。

4.在針筒的前端上方開一個小孔，插入探針溫度計，并用玻璃膠密封。

5.將玻璃膠槍固定在支架上，支架固定在底板上。

6.將酸式滴定管的管口對準用瓶塞和卡紙制作的小葉輪，小葉輪以鐵絲為軸，被固定在底板上。

四、使用方法

1.關閉玻璃閥門，讀出探針溫度計的示數。

2.用手按壓玻璃膠槍，活塞壓縮空氣做功，探針溫度計的示數不斷增大。待示數穩定，讀出探針溫度計的示數。

3.打開閥門，沖出的高壓氣體對小葉輪做功，使小葉輪轉動。探針溫度計的示數不斷減小，待示數穩定，讀出探針溫度計的示數。

五、設計特色

1.裝置所用的探針溫度計、針筒等容易購買，并且價格便宜。廢棄的玻璃膠槍、卡紙被重新利用，節約環保。

2.該裝置運用了玻璃膠槍，針筒內的氣體被壓縮到一定程度后繼續壓縮需要較大的力，玻璃膠槍利用機械省力的原理壓縮空氣，并把受到壓縮空氣反作用力的活塞固定。

3.改進后的實驗操作簡單，只需輕輕按壓玻璃膠槍以及調節閥門即可。探針溫度計的示數一目了然地反映出氣體的溫度變化，沖出的氣體做功使小葉輪轉動，實驗現象明顯。

4.經過改進的實驗安全、成功率高，且可以多次重復演示，實用性強。