巧用變色油墨 助力學生觀察

吳 敏

(江蘇省南京市人民中學，江蘇 南京 210005)

物理學是以實驗為基礎的學科，物理概念的建構、規律的發現離不開實驗。在實驗中，有些現象不容易直接觀察，例如做功對物體內能的改變、熱傳導的方向、滑動變阻器接入電路的有效電阻、影響電流熱效應的因素等。筆者以變色油墨作為轉換工具，讓熱無所遁形，從而幫助學生觀察實驗現象，自主建構物理概念、發現物理規律，提高物理教學效果。

1 變色油墨簡介

變色油墨是借助外界的物性(溫度、光、壓力、磁性等)變化而變色的一種特種油墨，在各行各業中都有廣泛的應用。常見的變色油墨有熱敏油墨、光敏油墨、水敏油墨等，其中熱敏油墨會隨著溫度的變化而迅速改變顏色，不同顏色代表了著色物體的溫度。這種油墨由感溫變色顏料與其他助劑混合調制而成，溫變顏料從低溫到高溫，有多種溫度區間，根據溫度的不同，可分為低溫變色(10℃左右)、手感變色(30℃左右)、高溫變色(60℃左右)等。圖1為一款能變色的玻璃杯，杯身的圖案由感溫變色材料印制而成，在杯中沒有注入熱水時，圖案呈白色，向杯內倒入熱水后，圖案就變成了彩色。

圖1

2 利用變色油墨顯示內能大小的變化

在蘇科版教材九年級上冊“外界對物體做功”一節中，教材給出了圖2、圖3所示的實驗：用手快速彎折鐵絲，感到鐵絲發燙；利用空氣壓縮引火儀，用力將活塞迅速下壓，使筒內棉花燃燒，說明外界對物體做功，物體的內能增大，溫度升高。但在利用空氣壓縮引火儀做實驗的過程中，向下壓縮活塞時，筒內棉花不一定能燃燒起來。為了讓學生看到棉花燃燒起來的現象，這時就需要進行第二次甚至第三次實驗，給課堂教學帶來了較大的影響。為此，我們可以利用注射器和變色油墨來替代這個實驗，能達到較好的實驗效果。

圖2

圖3

(1) 如圖4所示，將溫度升高時由綠色變為黃色的變色油墨(以下簡稱綠色變色油墨)均勻涂在注射器的內壁上。

圖4

圖5

(2) 封住注射器前端的小孔，并用力將活塞向前推，使活塞擠壓注射器內的空氣。

(3) 觀察注射器內壁油墨顏色的變化(圖5)。

實驗發現：當用力將活塞迅速下壓時，注射器內壁上油墨的顏色由綠色變成了黃色，說明活塞壓縮筒內空氣，對空氣做功，空氣的溫度升高，內能變大。

除此之外，還可以利用變色油墨直觀地說明外界對物體做功，物體的內能增大，溫度升高。

(1) 如圖6(a)所示，將上部涂有綠色變色油墨的金屬管固定在桌面上。

圖6

(2) 將一根布條繞過金屬管并來回拉動，摩擦金屬管，觀察金屬管上部油墨的顏色變化。

實驗表明：如圖6(b)所示，在來回拉動布條摩擦金屬管2min后，金屬管下部的油墨由綠色變成了黃色；如圖6(c)所示，繼續快速拉動布條，有更多的綠色油墨變成黃色。說明布條摩擦金屬管做功后，金屬管的溫度不斷升高，內能不斷增大。

3 利用變色油墨顯示熱傳遞的方向

改變物體內能的方式有兩種：做功和熱傳遞，而熱傳遞有傳導、對流和熱輻射三種方式。在蘇科版教材中呈現了圖7所示的三幅圖片，旨在利用圖片說明熱傳遞的三種方式。其中，熱傳導是通過放在熱湯碗里的湯勺來呈現的，手摸勺柄感覺勺柄很燙，說明熱量是沿著勺體由高溫的勺頭傳遞到低溫的勺柄的。這個傳遞過程是學生看不到的，只能通過觸摸來感覺，萬一熱湯的溫度很高，導致勺柄的溫度很高的話，人在觸摸勺柄時就很容易被燙傷。

圖7

基于這個原因，可以利用變色油墨來設計實驗，直觀地顯示在熱傳遞過程中熱量的傳導方向，實驗步驟如下：(1) 如圖8所示，將一根涂滿綠色變色油墨的銅棒固定在鐵架臺上；(2) 用酒精燈加熱銅棒的右端，觀察銅棒上油墨顏色的變化及其方向。

圖8

實驗表明：當給銅棒的右端加熱時，銅棒的右端油墨的顏色由綠色逐漸變為黃色，而且這種黃色沿著銅棒慢慢向左端蔓延。說明熱量是沿著銅棒由高溫的右端向低溫的左端傳遞的，這樣的設計讓學生很直觀地觀察了熱傳導的過程，從而加深了學生對熱傳遞的理解。

4 利用變色油墨顯示滑動變阻器接入電路的電阻

在初中電學學習中，滑動變阻器是一個很重要的實驗器材，掌握滑動變阻器的工作原理、滑動變阻器接入電路的有效電阻是學好電學的基礎。滑動變阻器接入電路的有效電阻是教學中的一個難點，為此，可以利用變色油墨設計實驗，巧妙地突破這個教學難點，實驗步驟如下：(1) 如圖9(a)所示，在滑動變阻器的電阻線圈上均勻涂滿綠色變色油墨后，再跟小燈泡串聯接在電源兩端；(2) 閉合穩壓電源的開關，觀察到小燈泡發光，說明電路中有電流通過；(3) 讓電路工作一段時間，觀察變阻器線圈上油墨顏色的變化；(4) 將滑片向右端適當移動一些，通電一段時間后觀察小燈泡亮度的變化及變阻器電阻線圈上油墨顏色的變化。

圖9

實驗表明：如圖9(b)所示，通電一段時間后，滑動變阻器滑片左邊的電阻線圈上的變色油墨由綠色變成了黃色；當滑片向右移動一些后，燈泡的亮度變暗，再通電一段時間，觀察到變阻器線圈上油墨變色范圍比原來更大。說明通電后，產生電熱使這部分金屬絲的溫度升高，這樣就有力證明了這部分金屬絲中有電流通過，因此滑片左邊的電阻是變阻器接入電路的電阻，很直觀地讓學生明白了滑動變阻器中接入電路部分的電阻，加深了對滑動變阻器工作原理的理解，深化了學生對電流和電阻關系的認識，為后面進一步學習歐姆定律、電功和電熱打下了很好的基礎。

5 利用變色油墨顯示影響電流熱效應的因素

“探究影響電流熱效應的因素”是初中物理教學中一個重要的實驗，這個實驗所用器材較多，有加熱煤油，觀察煤油溫度升高情況的溫度計；有加熱氣體，觀察U形管中液柱高低變化情況的壓強計等。我們也可以利用綠色變色油墨來探究影響電流熱效應的因素，實驗步驟如下：(1) 在定值電阻R1(5Ω)和R2(20Ω)上均勻涂上綠色變色油墨、晾干；(2) 將R1接入電路，閉合開關，調節變阻器使電路中的電流為0.1A，同時開始計時，直到油墨變成黃色時停止計時，記下從開始通電到油墨變色的時間t1；(3) 在上述電路中，調節變阻器使電路中的電流為0.2A，同時開始計時，直到油墨變成黃色時停止計時，記下從開始通電到油墨變色的時間t2；(4) 將電阻R1和R2串聯接入電路，閉合開關，調節變阻器使電路中的電流為0.2A，同時開始計時，直到油墨變成黃色時停止計時，分別測出電阻R1和R2從開始通電到油墨變色的時間t3、t4；(5) 比較t1、t2、t3、t4的大小，得出實驗結論。

實驗表明：(1)t2

6 結語

在物理教學中，我們可以借助一些特別的器材或工具，巧妙運用轉換的方法，把一些不容易直接觀察的物理現象直觀地顯現出來，便于學生觀察實驗現象，發現物理規律，提高物理課堂的教學效果，提升學生的物理學科核心素養。