自制實驗裝置 突破“內能”教學難點

鄭克東 何季軍

摘?要：利用實驗室現有器材，自制實驗裝置，在觀察氣體做功的現象時，通過引導幫助學生建立內能概念，操作方便，教學效果好.

關鍵詞：內能;熱傳遞;實驗;活動

文章編號：1008-4134（2020）02-0027?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：鄭克東（1978-），男，江蘇如東人，本科，中小學高級教師，如東縣教師發展中心研訓員，研究方向：物理課程建設、教材教法、實驗創新研究;

何季軍（1971-），男，江蘇南通人，本科，中小學高級教師，研究方向：初中物理教育教學.

1?問題提出

蘇科版初中物理教材第12章第2節 “內能”的新課教學引入分三步，第一步是用如圖1所示的對話激活學生的問題意識，揭示課題;第二步通過描述的方式引出“汽油、煤、天然氣等燃燒放熱，以及物體摩擦放熱，釋放的都是一種與熱運動有關的能量，這種能量叫作內能”;第三步用類比機械能的方法，得出內能的概念：物體內所有分子的動能和分子勢能的總和.

內能是物體內部的能量形式，它抽象不具體，所以“如何讓學生認識到內能的存在？”是建立內能概念的關鍵問題.而“如何讓學生認識熱傳遞改變的是物體的內能？”“熱量是內能改變過程中轉移能量的多少？”則是學生理解內能、建立熱量認知的難點.

2?問題分析

認識內能存在的方法有兩種：一是轉化法，即通過把內能轉化為其他形式的能，比如內能轉化為電能，內能轉化為機械能等等;二是溯本求源，結合能量概念理解，即依據“一個物體能夠對另一個物體做功，就表明這個物體具有能量”，以及分子動理論，引導分析理解.實際教學中，很多教師會借助一個實驗幫助學生建立起內能.有的用熱電偶，通過兩杯有溫差的水使燈泡發光，說明內能的存在;有的用礦泉水瓶，在礦泉水瓶內放入少許的酒精，通過扭礦泉水瓶身做功，擰松瓶蓋時的爆破聲及白霧，說明內能的存在.這些實驗現象往往能帶給學生較大的視覺震撼，可是現實的課堂教學測試告訴我們，學生對于“內能是什么”還是比較茫然的.通過學情調研與認知分析可以發現，主要原因是學生認識能量，依據的是“一個物體能夠對另一個物體做功，就表明這個物體具有能量”，而上述的實驗過程，有兩點讓學生糾結：一是誰對誰做了功，比如熱電偶是水做功還是其他;扭礦泉水瓶，體現內能的過程是手扭礦泉水瓶做功呢，還是礦泉水瓶內氣體對瓶蓋做功呢？正是這些困惑，混淆了學生思維.

3?實驗設計與使用

3.1?裝置制作

器材準備：250mL錐形瓶、數顯溫度計（范圍：-50℃～70℃，誤差：±1℃，分辨率：0.1℃，工作電壓：1.5V）、液體壓強計用的U型管、氣管夾、乳膠管、液體壓強計用的T型三通導氣管、橡皮塞、30cm×5cm木板1塊、8cm×5cm木板1塊、熱熔膠、螺絲釘2個、紅墨水、清水等.

制作過程：（1）制作內能感知端.在橡皮上打一個直徑為5mm的圓孔，同時插入T型三通導氣管和數顯溫度計的探頭，調整探頭的高度，使探頭與錐形瓶的內壁不接觸，處于錐形瓶的中間，再用熱熔膠將孔隙填滿，并把溫度計的顯示屏固定在三通管的前面;

（2）內能變化顯示器.以8cm×5cm木板為底座、30cm×5cm木板為U型管背景板，將兩塊木板按T字對接，用兩顆螺絲釘固定;再將U型管用卡子固定在背景板上.再在清水中滴入少許紅墨水，攪勻后將少許染色注入U型管內;

（3）組裝（如圖2所示）.將內能感知端，插入錐形瓶，再用乳膠管連接U型管的一端與三通導氣管的一端，調節U型兩管液面齊平，再用氣管夾夾住通氣口的乳膠管.

3.2?教學使用

3.2.1?引入內能的概念

首先，將錐形瓶置于加熱杯墊（220V 30W）上，教師描述“同學們，老師能夠意念移物，請看！”接著，通過遙控插座的開關使加熱杯墊加熱錐形瓶約20s，可以看到溫度計顯示屏上的溫度示數在上升，U型管中兩管出現明顯的高度差，隨著時間的推移，液柱在U型管開口的那支管中被推升.學生觀察后，教師可用問題串引導學生認識內能的存在：讓液柱移動的施力物體是誰（瓶內氣體）？它對水柱做功了嗎（做功了）？說明了什么（瓶內氣體有能量）？再通過感知、觀察分子擴散與溫度的實驗引入內能的概念.

3.2.2?建立“熱傳遞”“熱量”的概念

在討論出內能與質量、溫度等因素的關系后，可用該裝置設計一個開放性的探究活動：“增加瓶內氣體的內能”.圍繞裝置，活動從討論兩個問題開始，一是觀察什么現象知道內能增加了？二是有哪些方法可以增加瓶內氣體的內能？然后歸納增加瓶內氣體內能的方法（火燒、熱水燙）的共同點是“接觸了不同溫度的物體而改變內能”.再通過追問“增加的內能從哪里來？”引出“熱傳遞”的概念，結合學生所舉實例分析熱傳遞的實質，得出熱量是“熱傳遞過程中轉移的能量”.

3.2.3?鞏固“內能”“熱傳遞”的理解

課堂總結階段，首先是揭秘課堂引入時，實際在錐形瓶的底部有一個加熱杯墊，讓學生解釋其中的原理.然后，關閉加熱杯墊，打開氣管夾，錐形瓶內的氣體噴出，溫度計的顯示屏示數下降，U型管右側的液柱下降，并且會出現左側液柱上升，再下降直到兩側液面相平.最后，將錐形瓶放入冰水中，觀察溫度計示數及液柱的升降，再次說明外界常溫的空氣是有內能的，平時表現不出來，是因為沒有溫度差.

3.3?實驗原理

加熱時，加熱杯墊將能量傳遞給錐形瓶，再傳遞給瓶內氣體，瓶內氣體溫度升高，壓強增大，推動U型管內的液柱做功.

放氣時，瓶內氣體對外做功，內能減少溫度降低，同時瓶外空氣對U型管內液柱做功，液柱下降，最后從導氣管進入的空氣再對液柱做功，直至兩側液面相平.

放入冰水中時，瓶內氣體溫度降低，壓強降低，瓶外空氣對U型管內的液柱做功，液柱回流，說明常溫下的氣體是有能量的.

3.4?注意事項

使用前，應打開氣管夾，用擠壓乳膠管的方法，使U型管左右兩側的液面相平;使用時，加熱速度不宜過快，防止管內液柱會沖出管外;不使用時，為防止液柱溢出或回流進錐形瓶，要打開氣管夾，直至兩側液面相平后，再夾上.

3.5?實驗評估

可以集中學生的觀察視線.將加熱杯墊隱藏于底板中，可以排除干擾，讓學生將觀察視線集中在瓶內氣體上，能夠很快地切入教學主題.

制作材料易獲得，組裝簡單.本裝置所用器材易于獲得，如錐形瓶、U型管、橡皮塞、三通導氣管以及乳膠管等大多數是來自實驗室的現有器材，只有數字式溫度計需要購買，其成本只有幾元錢.各部分組裝方便，只需要簡單對接即可.

能夠直觀地看到氣體做功的現象.該裝置基于學生已學概念，由于液柱自身重力的影響，可以減緩氣體推動液柱做功的過程，便于觀察現象，理解內能的存在，認識內能的改變.

有助將內能相關知識塊進行串接.通過該裝置，在觀察“誰對液柱做了功”中認識“內能的存在”、在“增加瓶內氣體的內能”的探究中應用“影響內能大小的因素”、在尋找增加內能方法的共同點中認識“熱傳遞”及“熱量”，將四個知識塊進行了有效串接.

初中物理，不少概念比較抽象，我們應該根據不同的主題，開發合適的實驗，想辦法讓學生在“做一做”“看一看”“想一想”的活動中體驗，在體驗中激活原有認知，建構新知.開發的實驗應該選材簡單、與教學內容相適應、現象直觀，而且能夠一個實驗分層次多次使用，更好地為學生的理解助力.

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（收稿日期：2019-09-21）