改進創新實驗設計深刻理解內能概念

沈希克 高雅玲 沈惠杰

摘 ? 要：通過對滬科版九年級物理教材“物體的內能”一節中幾個實驗的創新與改進，取得了更為直觀生動的演示效果和便捷明了的探究操作，使學生更加深刻理解“內能”的有關概念。

關鍵詞：內能；實驗；改進；創新

“內能”是初中物理一個重要的概念，它是在學習完“機械能”的基礎上，從宏觀到微觀，從表面到內部，從具象到抽象的深入與延伸。內能與物體內部分子的熱運動以及分子間距離、吸引力等微觀情況有關，而機械能與整個物體的機械運動情況以及是否被舉高，是否發生彈性形變等宏現情況有關，兩者之間可以發生相互轉化。學生從機械能到內能的學習，思維上存在著較大的跨度與臺階，因此教材中安排了不少的探究實驗，讓學生在自主探究中獲得感性認識，幫助他們深刻理解內能這一抽象概念。筆者在長期教學實踐的過程中，對其中的一些實驗進行了一定的創新改進，取得了更為直觀生動的演示效果和便捷明了的探究操作，現分述如下，以饗同行。

1 ?改進創新壓縮空氣引火儀實驗，使實驗證據確鑿，效果明顯，雙向顯示

壓縮空氣引火儀是證明做功可以改變物體內能的一個經典實驗。進行壓縮空氣引火儀實驗之前，筆者以一段師生對話開啟了對學生證據意識的培養。

師：活塞迅速向下壓縮空氣，玻璃筒內空氣會有什么變化呢？

生1：對空氣做功，空氣的內能應該會增大，溫度應該會升高。

師：如何找出證據證明筒內空氣溫度升高？

生2：用溫度計測量一下唄，找一把溫度計放進引火儀玻璃筒里邊！

師：小小的引火儀玻璃筒里邊放得進一把溫度計嗎？有什么替代辦法可以證明引火儀里邊的空氣溫度升高了？

生3：能否在里邊放進去一些易燃物品，空氣溫度一升高就可以把它給點燃了。

師：很好！同學們已經懂得利用轉換法的思想來找尋空氣溫度升高的證據，老師今天就帶來了一些燃點較低的易燃物品——硝化棉，我們取一點放進引火儀玻璃筒里邊……

壓縮空氣引火儀實驗采用的是轉換法的思路，通過硝化棉被點燃證明引火儀里邊的空氣溫度升高，直觀生動。能否用更直接的證據證明被壓縮的空氣溫度升高？筆者從學生最初的想法，在引火儀里邊放進一把溫度計得到啟發，設計制作了如圖1的裝置。用一個5 L的食用油桶，把它的瓶蓋改換成一個大小合適的橡皮塞。橡皮塞中央插入一段長約8 cm的玻璃管，玻璃管瓶外的一端連接著一條橡皮軟管，橡皮軟管的末端裝入一個氣門芯。從網上購來一個探針式數顯溫度計。先用燒熱的鐵釘在油桶側壁穿一個合適大小的孔，讓數顯溫度計的測溫探頭伸進油筒內。液晶顯示屏置于油筒外，最后把油筒側壁的小孔用熱熔塑膠封死（可用熱熔膠槍和熱熔膠條操作），避免漏氣。當用打氣筒夾住氣門芯，慢慢往油桶內打氣時，可以明顯觀察到液晶顯示屏的溫度示數在升高（通過實物投影儀把溫度計示數顯示屏投影到大屏幕上，可以從25 ℃上升至大約32 ℃），說明壓縮空氣對空氣做功，其溫度升高，內能增大，機械能轉化為內能（如圖2所示）。當打氣到一定程度時，隨著桶內氣壓的不斷增大，突然間發出“砰”的一聲聲響，橡皮塞被向上沖出，此時可以立即觀察到液晶顯示屏上的溫度示數急劇下降，同時桶內出現了大量的白氣（如圖3所示）。說明氣體對外做動，內能轉化為機減能，內能減少，溫度降低，桶內的水蒸氣很快液化成了小水珠。為增強實驗效果，可以事先在油桶內放少量酒精，因為酒精更容易汽化與液化。這個設計裝置就地取材、制作簡易、可見度高，可以從溫度計的示數變化明顯地觀察到對空氣做功時空氣溫度升高及空氣對外做功時溫度降低，起到了雙向演示的效果。而且溫度的變化是由溫度計的示數直接顯示出來，效果明顯、證據確鑿，不失為壓縮空氣引火儀實驗的一個有效深化和完整補充。

2 ?利用簡易的器材讓學生親身體驗“鉆木取火”實驗

“鉆木取火”是原始人獲取火種的一種主要方式，通過一根干木棒不斷地在另一段干木柴上摩擦，克服摩擦力做功，機械能轉化為內能，使木柴的溫度不斷升高，直至冒煙擦出火苗。學生很難想象兩段木柴一直摩擦會溫度升高直至“生火”，如果要他們去野外直接找兩段干木棒去體驗一下，又需要較長的時間且實驗受各種客觀因素的影響也不一定會成功。有沒有辦法讓他們在課堂上就能體驗到鉆木取火的過程，且能觀察到摩擦過程中溫度的不斷升高呢？筆者設計了如圖4所示的實驗，用實驗室常用的溫度計模擬干木棒，用一塊泡沫塑料塊摸擬干木柴，事先讓學生觀察溫度計的示數并記錄下數值，然后讓一位學生固定泡沫塑料塊在桌上不動，另一位學生雙手不斷搓合轉動溫度計，使其玻璃泡不斷摩擦泡沫塑料，可以很明顯觀察到溫度計的示數在不斷上升，經過大約5分鐘的摩擦，溫度計的示數可以從初始室內溫度25 ℃左右上升至60 ℃-70 ℃左右。如果繼續摩擦，溫度計的示數還會繼續升高。本實驗選用泡沫塑料質地松軟容易摩擦，同時保溫性能好，不容易散熱。溫度計模擬木棒也可以直接看出溫度的變化，這樣的實驗設計化繁為簡，返璞歸真，讓學生在課堂上就能直接感受到鉆木取火的效果，體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課標理念[ 1 ]。

3 ?使用數顯溫度計讓熱傳遞過程中的溫度變化過程顯性化

除了做功以外，熱傳遞是改變物體內能的另一種方式。熱傳遞發生的條件是物體間存在著溫度差，發生的方向是從高溫物體到低溫物體或者是從物體的高溫部分到低溫部分，最終的結果是溫度達到相同為止。如何讓學生形象地理解熱傳遞的這三個方面的知識呢？可以設計以下幾個實驗：實驗一：兩個溫度相同的物體之間是不可能發生熱傳遞的。實驗可以取兩杯質量不同的冷水（溫度相同，均為室溫。為區分開，可以在其中一杯水中加幾滴紅墨水），在2杯水中分別放入數顯溫度計的測溫探頭，然后把小杯子的水浸入大燒杯的水中。可以發現由于兩杯水溫度相同，無法發生熱傳遞，兩個溫度計的液晶顯示屏溫度示數始終保持不變。實驗二：僅把大燒杯的冷水換成溫度較高的熱水，其它的不變，可以觀察到放在熱水中的溫度計示數不斷在下降，而放在冷水中的溫度計示數不斷在上升。說明熱水在放熱，溫度降低，而冷水在吸熱，溫度升高，內能從熱水傳遞到冷水，傳遞的內能的多少即稱為熱量。實驗三：實驗二中，經過了一段時間的熱傳遞，到了某一時刻，二者的溫度達到了相等，都變成了溫度相同的溫水。接著，兩者的溫度又同時開始下降了，因為溫水的溫度比周圍空氣的溫度高，要放出熱量，直至溫水的溫度下降至與室溫相同為止。這幾個實驗可以讓學生直接觀察到熱傳遞過程中溫度的變化，深刻理解熱傳遞過程中的溫度變化規律。

4 ?將教材中的彎折鐵絲實驗改造成學生開放性探究實驗

滬料版九年級物理教材在“做功可以改變內能”這一小節的教學內容中，安排了2個實驗，一個是壓縮空氣引火儀實驗，另一個則是彎折鐵絲實驗。“將一根鐵絲快速反復彎折數十次，鐵絲彎折處會發熱，說明對鐵絲做功使其內能增大。”[ 2 ]這樣的實驗設計實際上已經把學生的思維限制在做功改變物體內能這一種途徑上，不利于其發散思維的培養。可以把這個實驗改造成開放性實驗模式，通過給學生提供鐵絲、砂紙、打火機、熱水等器材，要求學生親自動手探究有哪些辦法可以使鐵絲的溫度升高。課堂上學生興趣盎然、熱烈討論、積極動手，嘗試了用不同的辦法使鐵絲的溫度升高。教師可以讓學生在自主合作探究使鐵絲溫度升高的基礎上，再進一步引導他們對所采取的方法進行分類。很多學生都懂得對采取的辦法分成兩類，一類是通過加熱的方法，例如用打火機打火加熱鐵絲，或者直接把鐵絲浸入熱水中；另一類是通過做功的方法，例如用砂紙不斷地摩擦鐵絲，或者用手不斷快速彎折鐵絲。這兩種途徑都可以使鐵絲的內能增大，溫度升高。在此基礎上，教師再引導他們對這兩種途徑進行深入分析，使他們深刻理解到做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的，即都可以使鐵絲的內能增大，溫度升高。而實質卻不同，做功改變物體內能屬于能量的轉化，通過消耗機械能轉化為物體的內能；而熱傳遞改變物體的內能則屬于能量的轉移，內能從高溫物體轉移到低溫物體或者從物體的高溫部分轉移至低溫部分。

實踐證明，有關教材這幾個實驗的創新和改進，對于學生進一步透徹理解“內能”的概念大有裨益，值得教師借鑒與推廣。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：12.

［2］ 義務教育物理課程標準實驗教科書編寫組.義務教育教科書物理九年級[M].上海：上海科學技術出版社，2023：35.