“做功改變氣體內能”演示裝置

李超

研究背景

“做功改變氣體內能”實驗是初中物理熱學部分的一個重要演示實驗，分為外界對氣體做功和氣體對外做功兩個部分。一些教材或資料上，主要是通過壓縮引火儀演示外界對氣體做功，氣體溫度升高，內能增加，如圖1所示。氣體對外做功，則通過對瓶子加壓，或加熱試管內部的水，氣體膨脹將塞子沖出去，從而實現氣體對外做功。教科版九年級《物理》上冊是通過傳感器采集數據，通過圖形化的方式演示氣體對外做功的過程。

上述幾種方案均存在明顯不足：一是存在安全問題，即橡皮塞沖出可能會傷到人；二是裝置不方便攜帶，組裝比較麻煩；三是效果不明顯，不能直觀顯示氣體對外做功的溫度變化情況；四是不能通過一套裝置同時完成兩個實驗的演示。

基于以上情況，筆者產生了改進該演示實驗裝置的想法：一是利用一套裝置同時演示兩個實驗，二是利用溫度傳感器顯示溫度，增強可視化效果。

裝置設計

本演示裝置受到消毒噴壺的啟發，利用噴壺可以加壓，氣體可以噴出對外做功的特點，對噴壺進行改造，達到演示效果。本裝置經過三代改進，性能得到提升，效果更加明顯。

1.0 版本（圖2），直接將溫度傳感器及顯示屏放置于噴壺內部，初步實現了想要的功能，但是存在兩個問題：一是顯示屏太小、亮度不高，不便于觀察；二是該顯示屏沒有開關，采用內置紐扣電池供電，后期不便于維護。

2.0 版本（圖3），采用了高亮度的大屏LED 顯示屏，將其固定在噴壺外面，便于觀察，且更加美觀。因顯示屏供電需要12 ～ 24 V 電壓，故采用12 V 可充電鋰電池進行供電。由于電池體積較大，故將其固定在把手上。

3.0 版本（ 圖4）， 在2.0 版本的基礎上，將外置鋰電池改為兩節小號12 V 干電池串聯，將電池內置于把手內，使得裝置看起來更加簡潔、美觀；使用按鈕開關控制顯示屏，操作更加簡便。

操作演示步驟

檢查裝置完整度及氣密性。

通過手柄向噴壺打氣，觀察溫度計示數變化。

當溫度升高 3 ～ 5 ℃或感覺加氣困難時停止打氣。

按下噴氣按鈕，使噴頭沖出。

觀察溫度計示數變化，如圖5 所示。

首先，通過打氣筒打氣，實現外界對氣體做功，可以看到氣體溫度上升，表明氣體內能增大。其次，通過按動噴氣按鈕，氣體快速將塞子沖出，實現氣體對外界做功，可以看到氣體溫度下降，表明氣體內能減小。

創新點及優點

利用噴壺改裝實驗裝置，取材源于生活，可復制性強。

同時完成外界對氣體做功和氣體對外界做功兩個演示實驗。

成本低廉、效果明顯、方便攜帶。

可重復使用，可靠性、安全性高。

總結

該裝置能夠彌補現有教材演示實驗的不足，克服傳統演示實驗的多種不便，演示效果和效率大大提高。但本裝置也存在有待提高和完善的地方，比如當噴頭沖出時，瓶內若能觀察到“白氣”，效果更佳。

該項目獲得第37 屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎