做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)的再次改進(jìn)

劉立華

(廊坊市固安縣第二中學(xué)河北 廊坊065500)

李洪清

(廊坊市固安縣教育局河北 廊坊065500)

收稿日期：(2015-06-10)

《物理通報(bào)》2015年第5期上發(fā)表了筆者所寫(xiě)的“做功改變物體內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”的文章.它是將人教版九年級(jí)物理課本，第十三章第二節(jié)“內(nèi)能”中，把“做功改變物體內(nèi)能”的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)后，合二為一.改進(jìn)后的裝置如圖1所示.

圖1　改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)后的好處：

(1)將物理課本中甲、乙兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起，精煉了課本內(nèi)容，減輕了教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān).

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可見(jiàn)度大，效果明顯，安全性高，既可作為演示實(shí)驗(yàn)，也可作為分組實(shí)驗(yàn).

(3)實(shí)驗(yàn)裝置使做功改變內(nèi)能的變化變成具體的溫度示數(shù)變化，使模糊的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得清楚、具體、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果由定性向定量的轉(zhuǎn)變.

(4)實(shí)驗(yàn)裝置有較大的響聲，且視覺(jué)沖擊力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o學(xué)生留下深刻的印象.

準(zhǔn)備發(fā)表之前，自己覺(jué)得非常完美，甚至憧憬著我們的改進(jìn)裝置會(huì)被寫(xiě)進(jìn)初中物理教材.于是將此裝置的圖片和文字說(shuō)明郵寄給專(zhuān)家，請(qǐng)專(zhuān)家進(jìn)一步指導(dǎo)，專(zhuān)家首先對(duì)我們的探索精神給予了肯定，同時(shí)提出了以下建議：

(1)實(shí)驗(yàn)效果的可靠度如何？有沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐驗(yàn)證？

(2)此實(shí)驗(yàn)裝置不能保證做功氣體的質(zhì)量不變.

盡管本實(shí)驗(yàn)裝置存在不足，專(zhuān)家還是力挺將我們的文章推薦在知名物理專(zhuān)業(yè)期刊上發(fā)表，以表示對(duì)年輕人的鼓勵(lì).按照專(zhuān)家回復(fù)的意見(jiàn)，筆者累計(jì)做了約600次的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，證明此裝置安全可靠.筆者針對(duì)“實(shí)驗(yàn)裝置不能保證做功氣體的質(zhì)量不變”進(jìn)行了深入的反思，裝置內(nèi)的氣體質(zhì)量的確發(fā)生了變化，原裝置實(shí)驗(yàn)不能完全說(shuō)明“壓縮氣體，氣體溫度升高，氣體對(duì)外做功，溫度降低”.為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者邊上課、邊實(shí)驗(yàn)、邊思考，尋求解決的方法.經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，新的實(shí)驗(yàn)裝置誕生了！它經(jīng)歷了以下3個(gè)改進(jìn)過(guò)程.

(1)要保證氣體質(zhì)量不變，就不能再用打氣筒了，因?yàn)榇驓馔裁看未驓猓紩?huì)向容器內(nèi)注入新的氣體.于是進(jìn)行了如下改進(jìn)：用注射器代替打氣筒，這樣就可保證做功氣體質(zhì)量不變，實(shí)驗(yàn)裝置其他部分不更換，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2　用注射器代替打氣筒后的實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，保證了氣體質(zhì)量不變，符合研究的氣體不發(fā)生質(zhì)量變化的要求.但新的問(wèn)題出現(xiàn)了，由于原來(lái)打氣筒能連續(xù)打氣，氣體壓縮程度大，溫度計(jì)升溫效果明顯，而改用注射器后，由于注射器容積有限，氣體被壓縮程度小了，溫度計(jì)示數(shù)變化很不明顯，即使將注射器活塞從頭推到底，溫度計(jì)的示數(shù)變化量只有0.2℃，橡膠塞2不被彈出，更沒(méi)有白霧生成.試著剪短橡膠管，溫度計(jì)示數(shù)變化量還是很小.為了解決這些問(wèn)題，筆者選擇100ml注射器增大氣體容積,結(jié)果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仍然不明顯，容積更大的注射器在市場(chǎng)和網(wǎng)上都買(mǎi)不到，所以從這個(gè)方面改進(jìn)儀器已經(jīng)行不通了.

(2)如果不能增大注射器容積，那么就應(yīng)該從縮小噴出活塞的容器的容積方面入手，于是筆者在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室找到了一種叫“U型具支試管”的小試管，形狀如圖3中所示，使它代替原裝置中的玻璃容器，裝置其他部分不更換.把左試管口用膠塞密封嚴(yán)，右試管口裝上帶細(xì)線(xiàn)的噴塞，把左進(jìn)氣口與注射器用橡膠管相連，把電子溫度計(jì)的探頭從右出氣口伸到U型試管內(nèi)部1cm，并將右出氣口密封.裝置如圖3所示.

圖3　用 U型試管代替原玻璃容器

這組裝置的確保證了被壓縮氣體的壓縮程度達(dá)到預(yù)期效果，但新的問(wèn)題又出現(xiàn)了，其一，此裝置的缺點(diǎn)是不能直立，噴塞橫著噴出，可見(jiàn)度低，其二，也是最大的弱點(diǎn)，由于試管玻璃壁薄，某次在做打壓實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體將小U型試管漲碎，此實(shí)驗(yàn)裝置存在安全隱患，所以此組裝置失敗.

(3)以上裝置的這些弱點(diǎn)，使筆者陷入困境，一切又回到了原點(diǎn).實(shí)驗(yàn)器材還需要從增大注射器容積的這個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，注射器容積要足夠大，最好氣體壓縮的程度可控.筆者一直思考，并試驗(yàn)了好多器材來(lái)代替注射器，都沒(méi)有成功.一次偶然的機(jī)會(huì)筆者看到裝修工人用堵縫槍把密封膠(也叫玻璃膠)擠出填堵窗戶(hù)的縫隙，他擠出密封膠的過(guò)程完全就像在推動(dòng)一個(gè)大的注射器.工人首先將密封膠桶裝到堵縫槍的槍管上，左手托住槍管，右手輕松扣動(dòng)堵縫槍扳手，粘稠的密封膠就被擠出，而且擠密封膠量的多少可以用堵縫槍扳手控制，密封膠桶容積大約300ml，是100ml注射器容積的3倍左右，于是筆者得到了啟示，把這套裝置稍加改進(jìn)，將用過(guò)的密封膠空桶的活塞取下，將密封膠空桶清理干凈，把活塞與堵縫槍頂桿前端的推進(jìn)圓盤(pán)安裝在一起，然后再將密封膠空桶裝在堵縫槍的槍管上，同時(shí)將活塞裝進(jìn)密封膠空桶就可以了.組裝后的裝置圖如圖4所示.

圖4　用堵縫槍和密封膠空桶代替注射器

再次改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置操作步驟：

(1)按圖組裝好實(shí)驗(yàn)裝置后，在啟普發(fā)生器中的葫蘆狀球形容器部分中加入少量水，約10ml，再滴入2～3滴酒精，因?yàn)榫凭人讚]發(fā)，蒸汽密度大，目的是使塞子噴出時(shí)瓶?jī)?nèi)酒精蒸汽遇冷液化成霧狀的現(xiàn)象更明顯.將數(shù)字溫度計(jì)裝好電池，撥到ON位置，并記錄此時(shí)溫度，此溫度就是室內(nèi)溫度，記錄為 “初始溫度”.

(2)將膠塞2從葫蘆狀球形容器口上取下，把堵縫槍“頂桿”拉出后再將橡膠塞2壓緊在容器口.扳動(dòng)堵縫槍的扳手，推動(dòng)“頂桿”前進(jìn)，頂桿推動(dòng)玻璃膠空筒中的活塞前進(jìn)，開(kāi)始?jí)嚎s氣體，同時(shí)觀察溫度計(jì)，溫度計(jì)的示數(shù)開(kāi)始上升，連續(xù)扳動(dòng)堵縫槍的扳手，推動(dòng)“頂桿”不斷前進(jìn)，氣體體積被越壓越小，繼續(xù)用“頂桿”壓縮氣體，直到塞子被氣體推出時(shí)，溫度計(jì)的示數(shù)最大，溫度高于室內(nèi)溫度，記錄為 “壓縮時(shí)最高溫”；同時(shí)觀察到橡膠塞噴開(kāi)時(shí)，瓶口和瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)大量白霧，與此同時(shí)，溫度計(jì)的示數(shù)開(kāi)始下降，達(dá)到最低值，此溫度低于室內(nèi)溫度，記錄為 “塞子噴