改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)深刻理解內(nèi)能概念

沈希克 高雅玲 沈惠杰

摘 ? 要：通過(guò)對(duì)滬科版九年級(jí)物理教材“物體的內(nèi)能”一節(jié)中幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)，取得了更為直觀生動(dòng)的演示效果和便捷明了的探究操作，使學(xué)生更加深刻理解“內(nèi)能”的有關(guān)概念。

關(guān)鍵詞：內(nèi)能；實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)；創(chuàng)新

“內(nèi)能”是初中物理一個(gè)重要的概念，它是在學(xué)習(xí)完“機(jī)械能”的基礎(chǔ)上，從宏觀到微觀，從表面到內(nèi)部，從具象到抽象的深入與延伸。內(nèi)能與物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)以及分子間距離、吸引力等微觀情況有關(guān)，而機(jī)械能與整個(gè)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況以及是否被舉高，是否發(fā)生彈性形變等宏現(xiàn)情況有關(guān)，兩者之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。學(xué)生從機(jī)械能到內(nèi)能的學(xué)習(xí)，思維上存在著較大的跨度與臺(tái)階，因此教材中安排了不少的探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在自主探究中獲得感性認(rèn)識(shí)，幫助他們深刻理解內(nèi)能這一抽象概念。筆者在長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐的過(guò)程中，對(duì)其中的一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一定的創(chuàng)新改進(jìn)，取得了更為直觀生動(dòng)的演示效果和便捷明了的探究操作，現(xiàn)分述如下，以饗同行。

1 ?改進(jìn)創(chuàng)新壓縮空氣引火儀實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)證據(jù)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(nèi)能的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行壓縮空氣引火儀實(shí)驗(yàn)之前，筆者以一段師生對(duì)話開啟了對(duì)學(xué)生證據(jù)意識(shí)的培養(yǎng)。

師：活塞迅速向下壓縮空氣，玻璃筒內(nèi)空氣會(huì)有什么變化呢？

生1：對(duì)空氣做功，空氣的內(nèi)能應(yīng)該會(huì)增大，溫度應(yīng)該會(huì)升高。

師：如何找出證據(jù)證明筒內(nèi)空氣溫度升高？

生2：用溫度計(jì)測(cè)量一下唄，找一把溫度計(jì)放進(jìn)引火儀玻璃筒里邊！

師：小小的引火儀玻璃筒里邊放得進(jìn)一把溫度計(jì)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(jìn)去一些易燃物品，空氣溫度一升高就可以把它給點(diǎn)燃了。

師：很好！同學(xué)們已經(jīng)懂得利用轉(zhuǎn)換法的思想來(lái)找尋空氣溫度升高的證據(jù)，老師今天就帶來(lái)了一些燃點(diǎn)較低的易燃物品——硝化棉，我們?nèi)∫稽c(diǎn)放進(jìn)引火儀玻璃筒里邊……

壓縮空氣引火儀實(shí)驗(yàn)采用的是轉(zhuǎn)換法的思路，通過(guò)硝化棉被點(diǎn)燃證明引火儀里邊的空氣溫度升高，直觀生動(dòng)。能否用更直接的證據(jù)證明被壓縮的空氣溫度升高？筆者從學(xué)生最初的想法，在引火儀里邊放進(jìn)一把溫度計(jì)得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)制作了如圖1的裝置。用一個(gè)5 L的食用油桶，把它的瓶蓋改換成一個(gè)大小合適的橡皮塞。橡皮塞中央插入一段長(zhǎng)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(gè)氣門芯。從網(wǎng)上購(gòu)來(lái)一個(gè)探針式數(shù)顯溫度計(jì)。先用燒熱的鐵釘在油桶側(cè)壁穿一個(gè)合適大小的孔，讓數(shù)顯溫度計(jì)的測(cè)溫探頭伸進(jìn)油筒內(nèi)。液晶顯示屏置于油筒外，最后把油筒側(cè)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(dāng)用打氣筒夾住氣門芯，慢慢往油桶內(nèi)打氣時(shí)，可以明顯觀察到液晶顯示屏的溫度示數(shù)在升高（通過(guò)實(shí)物投影儀把溫度計(jì)示數(shù)顯示屏投影到大屏幕上，可以從25 ℃上升至大約32 ℃），說(shuō)明壓縮空氣對(duì)空氣做功，其溫度升高，內(nèi)能增大，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（如圖2所示）。當(dāng)打氣到一定程度時(shí)，隨著桶內(nèi)氣壓的不斷增大，突然間發(fā)出“砰”的一聲聲響，橡皮塞被向上沖出，此時(shí)可以立即觀察到液晶顯示屏上的溫度示數(shù)急劇下降，同時(shí)桶內(nèi)出現(xiàn)了大量的白氣（如圖3所示）。說(shuō)明氣體對(duì)外做動(dòng)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)減能，內(nèi)能減少，溫度降低，桶內(nèi)的水蒸氣很快液化成了小水珠。為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，可以事先在油桶內(nèi)放少量酒精，因?yàn)榫凭菀灼c液化。這個(gè)設(shè)計(jì)裝置就地取材、制作簡(jiǎn)易、可見度高，可以從溫度計(jì)的示數(shù)變化明顯地觀察到對(duì)空氣做功時(shí)空氣溫度升高及空氣對(duì)外做功時(shí)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(jì)的示數(shù)直接顯示出來(lái)，效果明顯、證據(jù)確鑿，不失為壓縮空氣引火儀實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有效深化和完整補(bǔ)充。

2 ?利用簡(jiǎn)易的器材讓學(xué)生親身體驗(yàn)“鉆木取火”實(shí)驗(yàn)

“鉆木取火”是原始人獲取火種的一種主要方式，通過(guò)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使木柴的溫度不斷升高，直至冒煙擦出火苗。學(xué)生很難想象兩段木柴一直摩擦?xí)囟壬咧敝痢吧稹保绻麄內(nèi)ヒ巴庵苯诱覂啥胃赡景羧ンw驗(yàn)一下，又需要較長(zhǎng)的時(shí)間且實(shí)驗(yàn)受各種客觀因素的影響也不一定會(huì)成功。有沒(méi)有辦法讓他們?cè)谡n堂上就能體驗(yàn)到鉆木取火的過(guò)程，且能觀察到摩擦過(guò)程中溫度的不斷升高呢？筆者設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)室常用的溫度計(jì)模擬干木棒，用一塊泡沫塑料塊摸擬干木柴，事先讓學(xué)生觀察溫度計(jì)的示數(shù)并記錄下數(shù)值，然后讓一位學(xué)生固定泡沫塑料塊在桌上不動(dòng)，另一位學(xué)生雙手不斷搓合轉(zhuǎn)動(dòng)溫度計(jì)，使其玻璃泡不斷摩擦泡沫塑料，可以很明顯觀察到溫度計(jì)的示數(shù)在不斷上升，經(jīng)過(guò)大約5分鐘的摩擦，溫度計(jì)的示數(shù)可以從初始室內(nèi)溫度25 ℃左右上升至60 ℃-70 ℃左右。如果繼續(xù)摩擦，溫度計(jì)的示數(shù)還會(huì)繼續(xù)升高。本實(shí)驗(yàn)選用泡沫塑料質(zhì)地松軟容易摩擦，同時(shí)保溫性能好，不容易散熱。溫度計(jì)模擬木棒也可以直接看出溫度的變化，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)化繁為簡(jiǎn)，返璞歸真，讓學(xué)生在課堂上就能直接感受到鉆木取火的效果，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的新課標(biāo)理念[ 1 ]。

3 ?使用數(shù)顯溫度計(jì)讓熱傳遞過(guò)程中的溫度變化過(guò)程顯性化

除了做功以外，熱傳遞是改變物體內(nèi)能的另一種方式。熱傳遞發(fā)生的條件是物體間存在著溫度差，發(fā)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(jié)果是溫度達(dá)到相同為止。如何讓學(xué)生形象地理解熱傳遞的這三個(gè)方面的知識(shí)呢？可以設(shè)計(jì)以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一：兩個(gè)溫度相同的物體之間是不可能發(fā)生熱傳遞的。實(shí)驗(yàn)可以取兩杯質(zhì)量不同的冷水（溫度相同，均為室溫。為區(qū)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(shù)顯溫度計(jì)的測(cè)溫探頭，然后把小杯子的水浸入大燒杯的水中?？梢园l(fā)現(xiàn)由于兩杯水溫度相同，無(wú)法發(fā)生熱傳遞，兩個(gè)溫度計(jì)的液晶顯示屏溫度示數(shù)始終保持不變。實(shí)驗(yàn)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(jì)示數(shù)不斷在下降，而放在冷水中的溫度計(jì)示數(shù)不斷在上升。說(shuō)明熱水在放熱，溫度降低，而冷水在吸熱，溫度升高，內(nèi)能從熱水傳遞到冷水，傳遞的內(nèi)能的多少即稱為熱量。實(shí)驗(yàn)三：實(shí)驗(yàn)二中，經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的熱傳遞，到了某一時(shí)刻，二者的溫度達(dá)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(shí)開始下降了，因?yàn)闇厮臏囟缺戎車諝獾臏囟雀?，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(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生直接觀察到熱傳遞過(guò)程中溫度的變化，深刻理解熱傳遞過(guò)程中的溫度變化規(guī)律。

4 ?將教材中的彎折鐵絲實(shí)驗(yàn)改造成學(xué)生開放性探究實(shí)驗(yàn)

滬料版九年級(jí)物理教材在“做功可以改變內(nèi)能”這一小節(jié)的教學(xué)內(nèi)容中，安排了2個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是壓縮空氣引火儀實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)則是彎折鐵絲實(shí)驗(yàn)?！皩⒁桓F絲快速反復(fù)彎折數(shù)十次，鐵絲彎折處會(huì)發(fā)熱，說(shuō)明對(duì)鐵絲做功使其內(nèi)能增大?！盵 2 ]這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)際上已經(jīng)把學(xué)生的思維限制在做功改變物體內(nèi)能這一種途徑上，不利于其發(fā)散思維的培養(yǎng)。可以把這個(gè)實(shí)驗(yàn)改造成開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ㄟ^(guò)給學(xué)生提供鐵絲、砂紙、打火機(jī)、熱水等器材，要求學(xué)生親自動(dòng)手探究有哪些辦法可以使鐵絲的溫度升高。課堂上學(xué)生興趣盎然、熱烈討論、積極動(dòng)手，嘗試了用不同的辦法使鐵絲的溫度升高。教師可以讓學(xué)生在自主合作探究使鐵絲溫度升高的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步引導(dǎo)他們對(duì)所采取的方法進(jìn)行分類。很多學(xué)生都懂得對(duì)采取的辦法分成兩類，一類是通過(guò)加熱的方法，例如用打火機(jī)打火加熱鐵絲，或者直接把鐵絲浸入熱水中；另一類是通過(guò)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?gòu)澱坭F絲。這兩種途徑都可以使鐵絲的內(nèi)能增大，溫度升高。在此基礎(chǔ)上，教師再引導(dǎo)他們對(duì)這兩種途徑進(jìn)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(nèi)能上是等效的，即都可以使鐵絲的內(nèi)能增大，溫度升高。而實(shí)質(zhì)卻不同，做功改變物體內(nèi)能屬于能量的轉(zhuǎn)化，通過(guò)消耗機(jī)械能轉(zhuǎn)化為物體的內(nèi)能；而熱傳遞改變物體的內(nèi)能則屬于能量的轉(zhuǎn)移，內(nèi)能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體或者從物體的高溫部分轉(zhuǎn)移至低溫部分。

實(shí)踐證明，有關(guān)教材這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和改進(jìn)，對(duì)于學(xué)生進(jìn)一步透徹理解“內(nèi)能”的概念大有裨益，值得教師借鑒與推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：12.

［2］ 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書編寫組.義務(wù)教育教科書物理九年級(jí)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2023：35.