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        空氣壓縮引火實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

        2017-12-21 05:39:38沸,莫
        物理實(shí)驗(yàn) 2017年11期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教師

        顏 沸,莫 濱

        (1.蓮花實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇 南京 210041;2.南京市第十八中學(xué),江蘇 南京 210022)

        基礎(chǔ)教育

        空氣壓縮引火實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

        顏 沸1,莫 濱2

        (1.蓮花實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇 南京 210041;2.南京市第十八中學(xué),江蘇 南京 210022)

        針對(duì)空氣壓縮引火儀實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)硝化棉不著火、燃燒時(shí)間短等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了利用溫變油墨代替硝化棉演示對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加的實(shí)驗(yàn),改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.

        空氣壓縮引火儀;溫變油墨;內(nèi)能;硝化棉

        在初中物理教學(xué)中,學(xué)習(xí)做功改變物體內(nèi)能時(shí),都會(huì)使用“空氣壓縮引火儀”進(jìn)行演示. 傳統(tǒng)的操作方法采用硝化棉,實(shí)驗(yàn)成功的要領(lǐng)在于迅速壓下活塞. 如果實(shí)驗(yàn)成功,可以看到硝化棉燃燒,這一現(xiàn)象給予學(xué)生強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊. 遺憾的是,并非所有教師都能夠完美演示,效果欠佳,甚至演示失敗的概率很大.

        1 影響實(shí)驗(yàn)效果的原因分析

        該實(shí)驗(yàn)演示中,未能達(dá)成預(yù)期效果的原因是多方面的,有教師方面的原因,有學(xué)生方面的原因,還有器材方面的原因.

        1)硝化棉燃燒這一現(xiàn)象瞬間發(fā)生,時(shí)間很短,稍縱即逝,如學(xué)生稍一走神就會(huì)錯(cuò)過(guò)燃燒的瞬間,無(wú)論教師的演示實(shí)驗(yàn)多么成功,每次都會(huì)有學(xué)生錯(cuò)過(guò). 由于硝化棉的燃燒不可逆,教師要想重復(fù)演示,必須用長(zhǎng)鉤將硝化棉殘留物取出后再放入新的硝化棉,并且重新充入新鮮空氣,實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng).

        2)該實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求較高,條件苛刻,實(shí)驗(yàn)成功與否和多方面因素有關(guān):首先,硝化棉要干燥,濕度過(guò)大,實(shí)驗(yàn)很難成功;其次,放入管中的硝化棉應(yīng)拉成絲狀,盡可能地增加其表面積,放入的硝化棉過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的效果;最后,實(shí)驗(yàn)要求教師用力快速壓下活塞. 在實(shí)際演示中,力氣大的男教師都會(huì)覺(jué)得手很疼,很多女教師在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),通常會(huì)由于壓下活塞的力度不夠,而出現(xiàn)硝化棉不著火的現(xiàn)象,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗,無(wú)法達(dá)成實(shí)驗(yàn)預(yù)期,影響課堂教學(xué)效果. 當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中硝化棉消耗完之后,可以采用普通棉花代替,但是實(shí)驗(yàn)難度也隨之進(jìn)一步增大.

        2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

        壓下活塞后,筒內(nèi)空氣溫度升高,只要有現(xiàn)象能夠證明溫度升高即可,不必強(qiáng)求空氣的溫度達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn),故采用溫變油墨代替硝化棉.

        2.1 溫變油墨

        溫變油墨又稱熱變色油墨、熱敏油墨或示溫油墨. 溫變油墨分為3類:

        1)常溫下顯示某種特定顏色,經(jīng)加溫后顏色消失變?yōu)闊o(wú)色,冷卻后立即恢復(fù)到原有顏色,因其變化過(guò)程可逆,稱為“可逆溫變消色油墨”.

        2)在常溫下顯示無(wú)色,經(jīng)加溫后變?yōu)榱硗庖环N顏色,冷卻后又恢復(fù)為原來(lái)的無(wú)色,變化過(guò)程可逆,稱為“可逆溫變發(fā)色油墨”.

        3)油墨在常溫下呈現(xiàn)某種顏色,加溫后變?yōu)榱硗庖环N顏色,變化過(guò)程可逆,稱為“可逆溫變轉(zhuǎn)色油墨”.

        2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        使用可逆溫度消色油墨代替硝化棉完成“對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加”的實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)效果很好. 具體步驟如下:

        1)溫變油墨的選擇. 溫變油墨的穩(wěn)定性、變色溫度的高低、變色的快慢和靈敏程度都直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)效果的好壞,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用變色溫度為33~35 ℃、變色時(shí)間在3 s以內(nèi)的藍(lán)色或紅色可逆溫變油墨實(shí)驗(yàn)效果較好.

        2)選擇表面粗糙的有色硬紙板. 由于硬紙板表面粗糙,溫變油墨能夠較好地附著其上,待油墨干透后,再次涂抹,這時(shí)溫變油墨就能覆蓋住硬紙板原來(lái)的顏色.

        3)待覆蓋溫變油墨的硬紙板完全干燥后,剪下1.5 cm×2 cm的小硬紙片,將小硬紙片對(duì)折后豎放在空氣壓縮引火儀的筒內(nèi)底部(豎放便于學(xué)生觀察). 慢慢壓下活塞,可以看見(jiàn)溫變油墨的顏色慢慢褪去,露出小硬紙塊本來(lái)的顏色.

        2.3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)

        使用溫變油墨代替硝化棉來(lái)完成“對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加”的實(shí)驗(yàn),有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì).

        1)相對(duì)于硝化棉著火這一瞬間現(xiàn)象,藍(lán)色溫變油墨的變色過(guò)程是可以緩慢進(jìn)行的,且隨時(shí)可以暫停,亦即是可控的,利于教師提問(wèn),亦可提供足夠的時(shí)間供學(xué)生觀察、思考、回答.

        2)相對(duì)于硝化棉燃燒的不可逆,藍(lán)色溫變油墨的變色過(guò)程可以反復(fù)演示:壓入活塞,藍(lán)色溫變油墨變?yōu)闊o(wú)色,顯示出紙片原有的橙色底色;拉開(kāi)活塞,無(wú)色溫變油墨恢復(fù)為藍(lán)色,如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后,節(jié)約了課堂時(shí)間,提高了教學(xué)效率.

        圖1 活塞壓下前后紙片顏色對(duì)比圖

        3)實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求低,實(shí)驗(yàn)成功率高. 首先,密閉在筒內(nèi)的溫變油墨很難受到外界溫度及濕度的影響,實(shí)驗(yàn)很容易成功. 其次,由于不需要將活塞快速壓到底部,只需要緩慢地將活塞壓下一小段距離,即可觀察到變色現(xiàn)象,力氣小的教師也很容易做到. 由于緩慢壓下,不容易造成器材損壞,也不容易造成人身傷害,課后可以放心大膽讓感興趣的學(xué)生嘗試操作,利于提升學(xué)習(xí)興趣.

        4)實(shí)驗(yàn)效果明顯,實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單,有較強(qiáng)的說(shuō)服力,同時(shí)由于不需要較高的思維能力,也有利于學(xué)生對(duì)原理的理解,提高課堂教學(xué)的效率.

        3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的拓展

        在講述“物體對(duì)外做功,物體內(nèi)能減小”時(shí),能夠列舉的實(shí)例特別少,有說(shuō)服力的演示實(shí)驗(yàn)則更少. 由于物體內(nèi)能無(wú)法測(cè)量,所以判斷物體內(nèi)能是否減小,就只能借助其他現(xiàn)象來(lái)推斷,當(dāng)然,最易于理解的推斷理由是測(cè)得物體的溫度降低. 但是這一類現(xiàn)象中的做功,大多是在瞬間完成的,普通的測(cè)溫設(shè)備無(wú)法反映出短時(shí)間內(nèi)的溫度變化.

        在這方面實(shí)驗(yàn)中,目前較為理想的實(shí)驗(yàn)是“擰空礦泉水瓶實(shí)驗(yàn)”. 瓶蓋迸出,內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,氣體內(nèi)能減少,溫度降低,瓶?jī)?nèi)的水蒸氣降溫液化,出現(xiàn)白霧. 但是演示此實(shí)驗(yàn)時(shí),有的教師由于專注于瓶蓋迸出,而忽略因降溫液化而出現(xiàn)的白霧[1]. 若需要分析“白霧”現(xiàn)象,首先通過(guò)物態(tài)變化思考吸放熱情況,進(jìn)而分析溫度變化,最后推斷出內(nèi)能變化,需要較高的思維能力. 由于上述分析較復(fù)雜,會(huì)導(dǎo)致學(xué)生將實(shí)驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)偏離“做功”. 而采用溫變油墨,可以直接知道溫度變化,易于學(xué)生理解.

        選用覆蓋變色溫度為28 ℃的溫變油墨的紙片,剪下5 cm×2 cm的紙片,將它貼在2.5 L無(wú)色可樂(lè)瓶的內(nèi)壁. 發(fā)現(xiàn)小硬紙片上原本的藍(lán)色的溫變油墨變?yōu)闊o(wú)色,顯示出原來(lái)的底色,這是由于可樂(lè)瓶?jī)?nèi)的溫度高于28 ℃的緣故,慢慢往可樂(lè)瓶?jī)?nèi)打氣至約0.2 kg/cm2的氣壓,快速放氣,發(fā)現(xiàn)小硬紙片上的溫變油墨恢復(fù)成藍(lán)色,表明瓶?jī)?nèi)空氣溫度降低了,如圖2所示. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了“物體對(duì)外做功,內(nèi)能減小.”

        圖2 可樂(lè)瓶充放氣時(shí)紙片顏色對(duì)比圖

        注意事項(xiàng):

        1)做實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度大約在26 ℃,而可樂(lè)瓶?jī)?nèi)的溫度為30 ℃. 如果可樂(lè)瓶?jī)?nèi)的溫度低于28 ℃,小硬紙片放入可樂(lè)瓶后,溫變油墨成藍(lán)色,可以將可樂(lè)瓶貼有小硬紙片的一側(cè)浸在30 ℃的溫水中使其變?yōu)闊o(wú)色后再放氣.

        2)如圖3所示,為了向可樂(lè)瓶?jī)?nèi)充氣,可以將車胎的氣門樁連同周圍部分車胎膠皮一起剪下,瓶蓋上打一圓孔,孔的邊緣應(yīng)光滑,使氣門樁恰好可以從瓶蓋內(nèi)側(cè)卡入,孔邊緣不必密封,充氣后,氣門樁邊的膠皮緊壓在瓶蓋上,不會(huì)漏氣. 向可樂(lè)瓶?jī)?nèi)打氣時(shí)不能打得太多,確保實(shí)驗(yàn)安全.

        圖3 可樂(lè)瓶密封裝置制作圖

        4 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,采用溫變油墨代替硝化棉,來(lái)完成“對(duì)空氣做功使空氣的內(nèi)能增加”的實(shí)驗(yàn),克服了空氣壓縮引火儀實(shí)驗(yàn)的弊端,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,效果顯著. 而且,溫變油墨在中學(xué)物理很多演示實(shí)驗(yàn)中,都可以深入地挖掘.

        [1] 莫濱.機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤分析及改進(jìn)[J]. 物理教師,2016,37(7):45-46.

        Improvingtheexperimentofair-compressionigniter

        YAN Fei1, MO Bin2

        (1. Lotus Experimental School, Nanjing 210041, China;2. No.18 Middle School of Nanjing, Nanjing 210022, China)

        Aiming at the problems, such as no ignition of the nitro-cotton, short burning time, the air-compression ignition experiment was improved. In the improved experiment, the temperature sensitive ink was used to replace the nitro-cotton to demonstrate the phenomena that doing work can increase the inner energy of the air. The effect was obvious.

        air compression igniter; temperature sensitive ink; inner energy; nitro-cotton

        G663.7

        B

        1005-4642(2017)11-0056-03

        2017-06-16

        南京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度課題(No.L/2015/038)

        顏 沸(1977-),男,江蘇南京人,南京市蓮花實(shí)驗(yàn)學(xué)校高級(jí)教師,碩士,從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

        [責(zé)任編輯:尹冬梅]

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