自制做功改變物體內能的數字化演示儀

廣東省湛江市第二中學霞山校區(524002) 譚振興

安徽省廬江縣龍橋鎮初級中學(231551) 劉信生

1 傳統實驗存在的問題

做功改變物體內能實驗是初中物理教學的重點實驗之一。因為內能是初中熱學部分的核心概念，對后面的熱機和比熱容知識的學習起到至關重要的作用，因此內能大小決定因素的研究和改變物體內能兩種途徑的實驗探究對初中學生繼續學習熱學知識的作用不可小覷。滬科版初中物理第13章第1節“物體的內能”中改變物體內能途徑的教學，一般的課堂教學，首先引導學生依據思維的可逆性建立做功改變物體內能的兩條路徑:外界對物體做功，物體溫度升高內能增加；物體對外界做功，物體溫度降低內能減小。傳統的課堂教學中通常安排“空氣壓縮引火儀”演示實驗：在配有密閉活塞的厚壁玻璃筒中放入一小團硝化棉，迅速向下用力壓活塞，通過觀察硝化棉的前后變化情況，引導學生分析實驗過程，得出使用外力壓活塞內的氣體，對筒內氣體做功，瓶內空氣內能增大且溫度升高，產生著火點較低的硝化棉被點燃的現象。說明外力對物體做功，物體的內能增加。這個傳統實驗通過硝化棉是否燃燒，較好地定性顯示筒內空氣被壓縮前后內能的變化。但是現實生活中學生對硝化棉的特點沒有感性認識，實驗室里也不易找到；每次實驗時都要用較大力氣且在較短的時間內向下壓縮活塞，力氣小的學生無法完成，無法保證每次壓縮活塞一定能將硝化棉點燃；硝化棉的燃燒時間很短，實驗現象不易捕捉；教師在講臺上演示時教室后排的學生很難看清楚，這些都是實驗的缺陷。物體對外界做功的實驗，教材中雖然沒有具體的安排，教師通常用打氣筒對裝有少量液體水并帶有軟橡皮塞的厚玻璃瓶內充氣，直到瓶內的氣壓能夠將橡皮塞頂起，使之突然“彈跳”起來(俗稱“蹦塞”)，這時候瓶內和瓶口出現“白霧”現象，依據過程中“白霧”的產生，師生通過逆向推理解釋現象。當高壓氣體對外界(橡皮塞)做功，整個瓶內的內能減小且溫度降低，瓶內水蒸氣遇冷液化成小水滴(白霧)。但是有一部分學生卻認為，瓶內被壓縮、較高溫度的水蒸氣通過“蹦塞”后，在瓶外的空氣中遇冷液化成小水滴，而不是水蒸氣自身在瓶內遇冷液化成“白霧”。所以，該實驗現象使學生對物理過程產生了理解上的障礙，弄不懂實驗的真相到底是什么。筆者在教學過程中，將數字化實驗融入到傳統實驗中，將這兩個操作融合在一個裝置中，使整個實驗過程實現“可視化”，實驗數據實現“量化”的優勢。

2 創新實驗裝置及其制作

2.1 制作材料

5 L色拉油塑料瓶1個，自行車內胎氣門芯、打氣筒各1個，50 cm長的PVC閥門開關、PVC直管(直徑20 mm)、帶有直角彎頭的PVC管各1個，普通溫度傳感器(帶有溫度探針)、數據采集器、筆記本電腦、鐵架臺各1個，硬質A4紙1張，塑料焊槍、膠棒槍各1把，細木條、木塊、方木板各1塊，打火機1個，細鐵絲1根，剪刀1把等。

2.2 制作過程

(1)取5 L色拉油塑料瓶1個、自行車內胎氣門芯1個，用打火機灼燒準備好的細鐵絲，將燒紅的鐵絲在塑料瓶靠下的側面燙個小孔，隨后將氣門芯上的緊固螺絲旋下后從瓶口放入塑料瓶內(氣門芯后端有一較大的墊片)，輕輕轉動瓶身，讓氣門芯從里面穿過來，再旋上緊固螺絲，使用膠棒槍的熱熔膠進行縫隙密封。

(2)用通電發熱的塑料焊槍將PVC閥門開關的一端同帶有直角彎頭的PVC管連接起來，另一端焊接一截PVC直管，將彎頭一端插入塑料瓶口，再用膠棒槍的熱熔膠將管子和瓶口之間的隙縫密封好，同時用熱熔膠將塑料瓶底部和方木板固定在一起，目的是防止塑料瓶重心不穩而傾倒。

(3)用燒紅的細鐵絲在塑料瓶的上段側面燙個小孔，將普通溫度傳感器的溫度探針斜插入瓶內，再用熱熔膠密封好孔隙。用鐵架臺固定好傳感器設備，用數據線將數據采集器與之相連，再將采集器接入裝有數字化軟件的電腦上。

(4)用A4紙和剪刀制作1個風車模型，用大頭針將風車固定在帶有木塊底座的細木條頂端備用。

3 創新教具使用方法

3.1 演示外界對物體做功，物體溫度升高內能增加實驗

(1)依據從左到右、從下向上的組裝方法組裝好實驗裝置，如圖1所示。

(2)首先打開瓶口的塑料閥門開關，沿管口滴入幾滴酒精(為下一個實驗做好準備)，再關閉塑料閥門。

(3)讓學生將打氣筒充氣嘴夾住氣門芯孔部，通過氣門芯向塑料瓶內打氣來檢驗瓶子的氣密性。

(4)發現裝置密閉完好后，用鼠標雙擊打開電腦桌面的數字化軟件系統，屏幕顯示塑料瓶內空氣的實時溫度，用力向瓶內快速打氣，空氣會源源不斷被充入瓶內。

(5)引導學生觀察電腦屏幕上的溫度示數，發現示數在逐漸增大，說明塑料瓶內的空氣溫度在不斷地上升。

(6)師生互動交流得出結論：外界對物體做功，物體溫度升高，內能將增加。

圖1 做功改變物體內能數字化實驗裝置

3.2 演示物體對外做功，物體溫度降低內能減小實驗

(1)在上一實驗基礎上，讓學生停止用打氣筒打氣，移動細木條支架上的紙風車，使其正對塑料瓶上的PVC管出氣口備用。

(2)用手輕輕旋動塑料閥門開關，瓶內的高壓空氣從管口噴出，吹動風車轉動，并且瓶內出現“白霧”現象。此時電腦屏幕界面上的溫度示數開始迅速下降，并且下降到未打氣時的初始溫度(教室室內溫度)以下。

(3)師生交流討論：瓶內的壓縮氣體對外界做功(根據壓縮空氣推動風車轉動現象來判斷的)，內能轉化為機械能，瓶內的氣體溫度下降，內能將減小。

4 創新教具設計的特點

(1)將外界對物體做功，物體內能增加；物體對外做功，物體內能減小兩個演示實驗合二為一，提升了實驗器材的利用率，減少了實驗操作步驟，提升了實驗效率。對實驗裝置進行了簡化處理，裝置所用的材料易得，實驗過程受外界環境影響因素較小，穩定性增加，成功率高。該裝置不但可以用作演示實驗，不可以用作分組實驗和課外實踐探究活動。

(2)整個實驗操作節奏可以自由控制，可以讓學生進行小組合作探究來完成。實驗現象直觀、明顯，巧妙應用學生身邊的玩具(大風車)，親切感十足，容易讓學生產生共鳴。

(3)將信息化技術與傳統實驗融合在一起，是該實驗的最大亮點。通過溫度傳感器的巧妙使用，使整個實驗由原來的定性探究變成定量探究。通過數字化軟件系統實時讀出物體的溫度，并通過高清數據線與教室的多媒體屏幕連接，讓全班學生“一睹為快”。并且可以使用軟件的設置功能，在顯示溫度的同時自動描繪出整個實驗過程中的溫度-時間圖像(如圖2所示)，使實驗過程實現“可視化”，便于學生得出科學的實驗結論。

圖2 外界對氣體、氣體對外界做功的溫度變化圖像