基于安全性的“做功改變內(nèi)能”實驗改進(jìn)

摘 要：安全性是實驗的第一原則，根據(jù)當(dāng)前“做功改變內(nèi)能實驗”存在的安全性不足等缺點，用抽濾瓶和真空表對其進(jìn)行改進(jìn)，提高實驗的安全性，也使得實驗過程中打氣的程度更容易把握.

關(guān)鍵詞：安全性;做功;內(nèi)能

文章編號：1008-4134（2020）12-0038中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 教材中實驗存在的不足

教材（以人教版為例）設(shè)計了兩個實驗.第一個實驗的裝置如圖1所示，用壓縮的方法點燃硝化棉，以此說明“對氣體做功，氣體的內(nèi)能增大”，但此實驗缺點明顯.首先，實驗成功率不高;其次，如果使用不當(dāng)，儀器會破裂，存在一定安全隱患.

第二個實驗的裝置圖如圖2所示，向瓶內(nèi)打氣，最終塞子彈起，瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，說明“氣體對外做功時，內(nèi)能減小”.此實驗缺點更明顯，首先，很難控制塞子究竟要塞多緊，塞得不緊，實驗效果不明顯甚至沒現(xiàn)象，而塞得太緊，就要打很多氣塞子才會彈起，極具安全隱患.其次，即使瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，對于全班同學(xué)來說，觀察起來也并不容易.再次，沒有直接顯示瓶內(nèi)的溫度變化，學(xué)生理解起來較為困難，不利于主線知識的體現(xiàn).

教材中的實驗，成功率不高、現(xiàn)象不明顯倒是其次，最大的問題就是有安全隱患.

2 常見改進(jìn)實驗存在的不足

對于“做功改變內(nèi)能”實驗，目前有不少教師進(jìn)行了一系列的改進(jìn).但改進(jìn)后的實驗大都采用普通玻璃瓶進(jìn)行實驗：對玻璃瓶打氣，瓶內(nèi)氣體溫度升高，說明“對氣體做功，氣體的內(nèi)能增大”，松開閥門，氣體沖出玻璃瓶，對外做功，氣體溫度降低，說明“氣體對外做功，內(nèi)能減小”.

這種做法雖然直觀地呈現(xiàn)了實驗現(xiàn)象，但存在很大的安全隱患.普通的玻璃瓶對氣壓的耐受力有限，再加上無法直觀展示瓶內(nèi)氣壓的變化情況，不知道具體打了多少空氣進(jìn)去，打氣少了瓶內(nèi)溫度變化不明顯甚至沒變化，打氣多了，安全隱患巨大.因此，實驗過程中的打氣環(huán)節(jié)很難把握，而且整個實驗過程都籠罩在一種“危險”的氛圍中.

3 基于安全性的實驗改進(jìn)

3.1 改進(jìn)方法

針對普通玻璃瓶氣壓耐受力不足的缺點，采用高硼硅材質(zhì)的抽濾瓶（如圖3所示）代替普通的玻璃瓶.抽濾瓶又稱為布氏燒瓶（Büchne Flask），由1907年諾貝爾化學(xué)獎獲得者Eduard Buchner發(fā)明.布氏燒瓶的壁比錐形瓶要厚很多，至少可承受一個大氣壓，側(cè)面有一個細(xì)頸可以與真空泵連接，以便在過濾溶液的時候給瓶內(nèi)抽氣，加快過濾速度.因此，用抽濾瓶可以大大提高實驗的安全性.

針對無法展示瓶內(nèi)氣壓的缺點，增加一個真空表（如圖4所示）測量瓶內(nèi)的氣壓，以便操作過程中把握打氣的程度，在安全的前提下，最大限度地優(yōu)化實驗現(xiàn)象.抽濾瓶側(cè)面的細(xì)頸剛好可以用于連接真空表.

整個裝置主要由鐵架臺、抽濾瓶、電子溫度計（如圖5所示）、真空表、橡膠塞、打氣筒、金屬導(dǎo)管、塑料軟管等構(gòu)成.

根據(jù)電子溫度計探針的直徑以及金屬導(dǎo)管的直徑將軟質(zhì)橡膠塞打兩個孔（上下貫通），將電子溫度計的探針和金屬導(dǎo)管穿過橡膠塞.為了保證裝置的氣密性，在橡膠塞的側(cè)壁上涂適量凡士林，為避免打氣時塞子被高壓氣體頂起來，用細(xì)鐵絲將橡膠塞和抽濾瓶固定在一起，如圖6所示.將真空表的金屬緩沖管用鋼鋸截斷，用于連接塑料軟管.

把抽濾瓶放在鐵架臺底座上，將鐵圈固定在鐵架臺的適當(dāng)高度，用塑料軟管將抽濾瓶側(cè)面的細(xì)頸與真空表的緩沖管連接起來，使其連通，橡膠塞上面的金屬導(dǎo)管也連接一個塑料導(dǎo)管，以便連接打氣筒，裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，實物圖如圖8所示.

3.2 實驗過程

先將整個裝置靜放一段時間，使瓶內(nèi)的溫度與室溫相同，為17.6攝氏度.用打氣筒向抽濾瓶內(nèi)慢慢打氣，發(fā)現(xiàn)電子溫度計的示數(shù)慢慢上升，待瓶內(nèi)氣壓為1.5個大氣壓時，打氣速度放慢（控制抽濾瓶內(nèi)的氣壓不超過1.8個大氣壓，以保證實驗的安全性），電子溫度計的示數(shù)仍上升，最終示數(shù)為19.2攝氏度（如圖9所示）.說明給瓶內(nèi)氣體做功，氣體的內(nèi)能增大了.

然后將打氣筒拔掉，氣體瞬間沖出并對外做功，電子溫度計的示數(shù)也隨之慢慢下降，大概一分鐘后，降為17.7攝氏度（如圖10所示）.說明瓶內(nèi)氣體對外做功，氣體的內(nèi)能減小了.

3.3 實驗注意事項

由于瓶內(nèi)氣體溫度升高時會向周圍空氣散熱，因此剛開始打氣時，力度可以大一些，使得瓶內(nèi)氣體溫度迅速上升，以減小氣體散熱帶來的影響，待瓶內(nèi)氣壓為1.5個大氣壓時，可適當(dāng)減小打氣的力度，由于瓶內(nèi)氣體溫度上升的延遲效應(yīng)，電子溫度計的示數(shù)仍然會持續(xù)上升，使實驗現(xiàn)象明顯.千萬不可為了追求溫度升高的速度而一味加大打氣的力度，瓶內(nèi)氣壓盡量不要超過1.8個大氣壓，保證實驗的安全性.

4 建議與展望

安全性是實驗的第一原則，尤其是當(dāng)前中小學(xué)課堂實驗.因此，建議各位同行在以后進(jìn)行“做功改變內(nèi)能”的實驗時，可參考本裝置去改進(jìn)，將安全放在第一位，同時本裝置也可以對打氣程度進(jìn)行更精準(zhǔn)的把握和控制，使實驗現(xiàn)象更明顯.

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（收稿日期：2020-03-11）