两个“内能”实验的改进，本文主要内容关键词为：内能论文,两个论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理是一门以实验为基础的学科，物理实验是配合教师完成教学任务的一种方法，深受学生的欢迎。加强实验教学不仅可以提高课堂效果，还有助于学生对物理概念、规律的理解和记忆。不论是哪个实验，让学生观察到明显的实验现象，得到正确的结论，是实验教学的主要目的。很多实验教师都按照教材提供的方法进行教学，常会因实验现象不明显和无法得到正确的结论而失去实验的作用。在教学实践中，笔者发现初中物理“内能”一节设计的两个实验在某些地方存在值得推敲和改进的地方，现具体介绍如下。
一、空气推动塞子时内能减小的实验
人教版教材中的实验（图1）：拿1个大口的厚玻璃瓶，瓶内装入少量的水，用塞子塞紧。水上方的空气中有因为水的蒸腾作用而产生的水蒸气。通过塞子上的导管往瓶子里打气。观察：当塞子从瓶口跳起来时容器中有什么现象。
北师大版教材中的实验（图2）：在金属容器中滴入数滴乙醚，形成乙醚蒸气和空气的混合气体。用橡皮塞塞紧容器口后，利用电火花点火，可以看到橡皮塞被顶起。
1.存在的问题
通过以上实验观察到的现象是：容器中的水蒸气原来是看不见的，当塞子跳起来时，可以看到容器中出现了雾。然而，在多年的教学过程中，笔者发现用人教版的方法做空气推动塞子时内能减小实验很难成功，实验现象极不明显，无法让学生通过实验现象得到瓶内的空气推动瓶塞做功时，内能减小，温度降低的结论。笔者认为造成实验现象不明显的原因是教师难以对瓶内气压的大小做到自由控制。塞子塞得太紧，担心用气筒打气不能将塞子冲出。即使塞子能冲出，又担心在塞子冲出的同时，由于反冲可能会将瓶子推倒，甚至会损坏仪器，从而转移学生的注意力。塞子塞得太松，当塞子跳起来时，瓶内空气对塞子做功太少，空气的温度降低不多，水蒸气难以液化，容器中或容器口不会出现雾。采用北师大版教材的方法做实验虽然现象明显，但也有一定的局限性：一是缺少实验仪器。教材中提供的仪器大部分学校都没有，若要单独购置一两套仪器又很不现实，很多教师由于这个原因就会用人教版的实验方法来代替，也有的教师甚至不做实验，用口述来代替实验完成教学任务。二是不安全。乙醚是一种有毒麻醉剂，实验时不仅会有大量的乙醚喷出，严重危害师生的身体健康，而且乙醚极易挥发，储存易引发火灾。
2.实验改进
改进方法1：在水中加入少量酒精。取1个橡皮塞，在其中心打1个小孔，将1段4 cm的玻璃管插入小孔内，在玻璃管的一端接1段橡皮管，用来连接打气筒。再取1个250 mL的大广口瓶，先在瓶内倒入10 mL左右的酒精，然后再倒入约60mL，60 ℃的温水，塞紧橡皮塞，连好打气筒，稍微放一会儿，让酒精在瓶中蒸发出更多的酒精蒸气。用打气筒先慢慢打气，再迅速打气，当塞子跳起后，白雾就会充满整个瓶子，并溢出瓶口，效果非常好。
改进方法2：用注射器代替玻璃瓶。取1支50mL的大注射器，首先用注射器吸入约5 mL的无水酒精，上下晃动注射器几次，让酒精湿润整个注射器的内壁。然后把注射器口朝下推动活塞，将筒内残留的酒精全部推出。用手握住注射器，给注射器内壁上附着的酒精加热一会儿，加快内壁上酒精的蒸发，增大注射器筒内空气中酒精蒸气的体积分数。用左手拇指堵住注射器管口，将筒内空气密闭，右手用力推活塞，将注射器筒内的气体压缩到推开拇指为止。在空气膨胀将手指推开时，可以清楚地观察到注射器管口冒出了袅袅“白烟”。实验现象不仅清楚，而且持续时间长，给学生留下了非常深刻的印象。据此现象，学生感知到了空气推动手指做功时，温度降低，从而自然而然地得出“物体对外做功时，本身的内能减小”的结论。
改进方法3：用可乐瓶自制教具。取1个可塞入可乐瓶瓶口的橡皮塞，在橡皮塞中心打1个小孔，再将自行车内胎上带气门芯的气嘴塞入孔内，并用橡皮垫圈和螺母旋紧，使瓶口不漏气。实验时，往可乐瓶内滴入少量酒精，将瓶摇晃数次，使酒精挥发且与空气良好混合，再用橡皮塞塞紧瓶口。然后，将可乐瓶夹在铁架台上，将自行车打气筒与可乐瓶上的气嘴相连接（图3）。往瓶内打气，当瓶内的气压达到一定大小时，橡皮塞被冲出，瓶内立即出现一片白雾，这说明气体膨胀做功，内能减少，温度降低。
二、压缩空气时内能增加的实验
教材中的实验（图4）：在1个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，把活塞迅速压下去，观察有什么现象。
1.存在的问题
压缩空气时内能增加的实验现象是：棉花迅速燃烧。因为活塞压缩空气做功，所以空气的内能增大，温度升高，达到棉花的燃点，使棉花燃烧。教材中使用的是硝化棉，由于硝化棉是硝酸纤维素的俗称，具有高度可燃性和爆炸性，其危险程度根据硝化程度而定，含氮量在12.5%以上的硝化棉危险性极大，遇火即燃烧，在温度超过40 ℃时能加速其分解而自燃。含氮量不足12.5%的硝化棉虽然比较稳定，但受热或储存日久，会逐渐分解而放出酸，降低着火点，亦有自燃自爆的可能。因此，出于安全考虑学校实验室不可能常备硝化棉，很多学校物理实验室里没有硝化棉，自己配制又很麻烦。即使有硝化棉，实验时放的量不合适燃烧时也会引起管中积碳，使管壁变黑，影响透明度。此外，使用的引火仪通常是有机玻璃做的，管壁厚，热传导性能差，有时会引起爆管现象。
2.实验改进
改进方法1：用火柴头代替硝化棉。取1根火柴，用小刀刮下火柴头，倒入引火仪玻璃筒的底部，先轻轻向下压几下，让玻璃筒内的温度升高一些，起到预热作用，然后将活塞提到顶部用手迅速压下去，火柴迅速燃烧，现象非常明显，效果很好。火柴头的成分主要由氧化剂（
）、易燃物（如硫等）和黏合剂组成。当活塞迅速压下时，对空气做功会使筒内温度迅速升高到500℃左右，而火柴头中易燃物的燃点很低，在如此高温下就会迅速燃烧。
改进方法2：用蘸有乙醚的棉花代替硝化棉。虽然乙醚是一种有刺激性气味的有毒物质，但少量的乙醚不会对人体产生危害。取火柴头那样大的一小团棉花，用手撕成松散的絮状，用镊子将棉花放入乙醚中蘸取少量的乙醚，取出后在空气中放一会儿，让乙醚挥发一下，保持棉花的干燥，再把蘸有乙醚的棉花放入玻璃筒的底部，装上活塞轻轻上下拉动几次，使筒内的温度升高，加快乙醚的蒸发，然后将活塞提到顶部用手迅速压下去，棉花迅速燃烧，学生会看到底部的火光，同时玻璃筒内还会有大量的烟产生，现象非常明显，成功率非常高。
改进方法3：用棉花代替硝化棉。如果实验室里没有硝化棉和乙醚，也可以直接用棉花完成实验。取一半绿豆大小的一小团棉花，用手小心地撕成丝状，用细铁丝或细竹签将棉花轻轻放入玻璃筒的底部，然后将活塞插入玻璃筒内（若活塞密闭性不好，则可以在活塞周围涂上凡士林，以增强活塞和玻璃筒内壁的密闭性），用手迅速压下活塞，棉花就会迅速燃烧，实验现象也很明显。棉花的形态结构为疏松多孔，与空气接触面较大，含水率在12%左右，燃点仅为150℃，极易发生燃烧。压缩空气做功使筒内的温度迅速升高，达到棉花的燃点，使棉花燃烧。用这种方法进行实验时，仪器的密闭性越好成功率就越高。