“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”教學案例分析

吉美存

(江蘇省南京市雨花臺中學春江分校，江蘇 南京 210012)

筆者在一次公開課中執(zhí)教了蘇科版“機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化”一課，基于科學素養(yǎng)培養(yǎng)目標，從培養(yǎng)學生的證據(jù)意識、模型建構(gòu)能力、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度等方面進行了教學設(shè)計。

1 培養(yǎng)學生的證據(jù)意識

教學片斷1：做功是改變物體內(nèi)能的另一種方式

師：請幫老師完成一項任務，使鐵絲、氣球等溫度升高、內(nèi)能增加。你有哪些方法？

生：將鐵絲彎折，將鐵絲放入熱水里，吹氣球，拉伸氣球……

學生匯報、展示實驗方法。

師：你是如何得知鐵絲、氣球等的內(nèi)能增加了？這個過程中消耗了什么能？

生：他們溫度升高了，消耗了機械能。

師：這些方法是同一種方法嗎？如果不是，你可以給它們分類嗎？

生：可以分為兩類，其中一類為熱傳遞，另一類好像都需要力。

師：在此過程中物體獲得了什么能？有力對它們做功嗎？

生：獲得了內(nèi)能，有力做了功。

師：如果讓你給這種方式起個名字，你覺得什么合適？

生：做功。

師：對鐵絲、氣球等做功，可以將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使鐵絲、氣球等的內(nèi)能增加。

師：你能利用類似的方法使礦泉水瓶中的水的內(nèi)能增加嗎？

學生快速搖晃瓶中水，用溫度計測量其溫度，發(fā)現(xiàn)水溫變化并不明顯。

教師演示實驗1：出示一個電動打蛋器和溫度傳感器，攪拌水后，觀察溫度傳感器的示數(shù)變化。

實驗現(xiàn)象：在1分鐘內(nèi)傳感器的示數(shù)增大了2℃，效果明顯。

師：此實驗現(xiàn)象說明了什么？

生：打蛋器對水做功，機械能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，水的內(nèi)能增加。

師：那么如果對氣體做功，氣體的內(nèi)能是否也會增加呢？

教師出示如圖1所示的裝置，在飲料瓶上開三個孔，分別插入溫度傳感器、橡皮軟管以及帶開關(guān)的輸液管，使打氣筒與橡皮軟管連通，并用熱熔膠槍密封好。先關(guān)閉輸液管閥門，通過打氣筒向瓶中充氣，學生會觀察到溫度傳感器的示數(shù)增加。

圖1

師：此現(xiàn)象說明了什么？

生：對氣體做功，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大。

師：通過以上實驗，我們發(fā)現(xiàn)：外界對固體、液體、氣體做功，均可以增加其內(nèi)能。

師生總結(jié)：外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

師：你有哪些方法可以使物體的內(nèi)能減小？自然規(guī)律往往是對稱的，如果物體對外界做功的話，內(nèi)能能否轉(zhuǎn)化為機械能呢？

教師演示實驗，在圖1所示裝置的閥門邊放上一個小風扇，并打開閥門。學生可以觀察到小扇葉快速轉(zhuǎn)動起來，與此同時觀察到溫度傳感器的示數(shù)變小。

師：溫度傳感器示數(shù)變小，說明氣體的內(nèi)能如何變化？

生：減小。

師：小扇葉的轉(zhuǎn)動說明扇葉的機械能如何變化？

生：增加。

師：此過程的能量又是如何轉(zhuǎn)化的？

生：內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。

師生總結(jié)：物體對外界做功，物體內(nèi)能減小，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。做功是改變物體內(nèi)能的另一種方式。

評析：通常教學中的空氣壓縮引火儀實驗雖然解決了“做功可以改變物體的內(nèi)能，機械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化”這一問題，但這一實驗卻很難直觀表明：“外界對物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對外界做功，物體的內(nèi)能減小”，且證據(jù)難以捕捉，筆者通過加裝溫度傳感器有效解決了實驗的證據(jù)問題，培養(yǎng)了學生的證據(jù)意識。

2 培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力

教學片斷2：熱機

師：通過以上實驗，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機械能，這為人類擺脫人力、畜力的束縛，跨入工業(yè)化時代提供了可能。利用這一原理，人們制造出了將內(nèi)能轉(zhuǎn)化機械能的機械——熱機。為了迅速獲得較大的內(nèi)能，在設(shè)計上采用燃料燃燒獲得內(nèi)能，然后再將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。

教師展示點火爆炸裝置并演示。

師：在剛才的實驗中，盒蓋獲得了機械能，但并不能持續(xù)地獲得機械能。在熱機的設(shè)計之初，這一問題始終困擾著人們，如何才能持續(xù)地獲得機械能，帶動機械運轉(zhuǎn)？

師：在點火爆炸實驗中，盒蓋若要持續(xù)獲得機械能，就需要一直點火推動盒蓋做功，但這樣設(shè)計出的熱機體積將非常大。如果能夠設(shè)計出一種將盒蓋推出后可以自動將盒蓋復位、再次點燃燃料推動盒蓋的裝置，這一問題就將迎刃而解。人們將“曲軸”應用到熱機的設(shè)計上，巧妙地將直線運動變成了往復運動，使這一問題得到了解決。

教師展示斯特林熱機(圖2)，介紹其工作原理。在曲軸的帶動下，獲得了持續(xù)的機械能。

圖2

師：人們發(fā)現(xiàn)斯特林熱機所用燃料在氣缸外，內(nèi)能的利用效率較低，如果將燃料的燃燒放到汽缸內(nèi)部進行，內(nèi)能的利用效率將會大大提高。經(jīng)過整合，加裝了進氣門、火花塞，解決了燃料的重復點燃問題，加裝排氣門解決了廢氣的排出問題，使燃料的利用效率大大提高，這也是現(xiàn)代熱機——內(nèi)燃機的設(shè)計原理。

評析：點火爆炸這個實驗解決了“內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機械能”這一問題，但學生心存疑惑：熱機同樣是將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，為何熱機可以持續(xù)運轉(zhuǎn)，而點火爆炸實驗中的盒蓋卻不可以？在本節(jié)課中筆者引導學生深入分析熱機工作過程，通過構(gòu)建模型的方式逐步解決了這一問題，培養(yǎng)了學生的模型建構(gòu)能力。

3 培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度

教學片斷3：對水做功，使其內(nèi)能增加

師：剛才有同學快速搖晃瓶中水，發(fā)現(xiàn)水溫變化并不明顯，實驗失敗的原因是什么？有沒有更好的實驗方案？

生：受到熱傳遞的影響，搖晃速度慢……

教師使用電動打蛋器和溫度傳感器，戴手套攪拌水后，觀察溫度傳感器的示數(shù)變化。在1分鐘內(nèi)溫度傳感器的示數(shù)增大了2℃，效果明顯。

評析：筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，很多情況下我們的課堂實驗難以與教材實驗的描述完美貼合。這時很多教師往往會以誤差一言以蔽之，究竟是誤差還是錯誤則被我們忽略掉了。由此帶來了很多問題，一旦面對新的實驗題，學生往往不會分析和思考實驗的問題所在，統(tǒng)統(tǒng)以誤差作為原因。而實際實驗中的問題千變?nèi)f化，這就需要教師在平常教學中有意識地引導學生思考并討論實驗失敗的原因，找出問題所在，重新設(shè)計實驗方案，培養(yǎng)其嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。