(江蘇省海門(mén)市海南中學(xué),江蘇 南通 226100)

1 問(wèn)題的提出

對(duì)溫度的認(rèn)知、了解是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的一項(xiàng)重要技能。了解溫度對(duì)人類(lèi)生活的影響,通過(guò)測(cè)量溫度來(lái)提高生產(chǎn)生活的效率，是人們需要學(xué)習(xí)的生活技能，例如食物加熱到多少度才能煮熟？使用智能手機(jī)時(shí),當(dāng)手機(jī)溫度超過(guò)多少度時(shí)需要引起人們的警覺(jué),以免引起爆炸等事故？關(guān)于我們自己的身體,多高溫度為合適的體溫？游泳池保持多少攝氏度的水溫才是最合適的？常用的體溫計(jì)的原理是什么？如何使用？作為初中學(xué)生,我們能否就溫度的測(cè)量做一些探究？

2 調(diào)查分析和活動(dòng)體驗(yàn)

2.1 體驗(yàn)生活中的溫度

教學(xué)目標(biāo):用電子溫度計(jì)測(cè)量溫度,熟悉生活中的各種物體的溫度。

器材:為了便于觀測(cè),用網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)的電子溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn):通過(guò)使用可以發(fā)現(xiàn),電子溫度計(jì)攜帶方便,帶有探頭,測(cè)量、顯示溫度速度快,精確度高,適合于自動(dòng)觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

缺點(diǎn):該電子測(cè)溫儀測(cè)量范圍有限,不能測(cè)量較高的溫度,比如煤氣灶火焰的溫度等。

用電子溫度計(jì)測(cè)量一些常見(jiàn)的溫度值:(1) 停放在戶(hù)外的汽車(chē)內(nèi)外溫度；(2) 空調(diào)房間內(nèi)外溫度；(3) 冰箱內(nèi)外溫度；(4) 體溫；(5) 煮熟的米飯的溫度；(6) 魚(yú)池水溫；(7) 游泳池的水溫。

本節(jié)課通過(guò)溫度的測(cè)量活動(dòng)，讓學(xué)生了解了身邊環(huán)境的溫度,使他們對(duì)于溫度的概念有感性的認(rèn)識(shí),為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.2 認(rèn)識(shí)更多測(cè)量溫度的工具

教學(xué)目標(biāo):讓學(xué)生認(rèn)識(shí)更多的測(cè)溫儀器,并了解學(xué)習(xí)其中常見(jiàn)的幾種測(cè)溫儀器的使用方法。

了解生活中測(cè)量溫度的工具,學(xué)習(xí)使用方法。例如:普通溫度計(jì)、體溫計(jì)、紅外線測(cè)溫儀、電子溫度計(jì)、固體溫度計(jì)等(如圖1)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解各種溫度計(jì)的使用方法。

圖1

學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)搜索資料,整理出部分溫度計(jì)家族成員。

(1) 氣體溫度計(jì):多用氫氣或氦氣作測(cè)溫物質(zhì),因?yàn)闅錃夂秃獾囊夯瘻囟群艿?接近于絕對(duì)零度,故它的測(cè)溫范圍很廣。這種溫度計(jì)精確度很高,多用于精密測(cè)量。

(2) 電阻溫度計(jì):分為金屬電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體電阻溫度計(jì),都是根據(jù)電阻值隨溫度的變化這一特性制成的。電阻溫度計(jì)使用方便可靠,應(yīng)用廣泛。它的測(cè)量范圍為-260℃至600℃。

(3) 指針式溫度計(jì):是形如儀表盤(pán)的溫度計(jì),也稱(chēng)寒暑表,用來(lái)測(cè)室溫,是利用金屬的熱脹冷縮原理制成的。

(4) 玻璃管溫度計(jì):玻璃管溫度計(jì)是利用熱脹冷縮的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量的。由于測(cè)溫介質(zhì)的膨脹系數(shù)與沸點(diǎn)及凝固點(diǎn)的不同,所以我們常見(jiàn)的玻璃管溫度計(jì)主要有:煤油溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,測(cè)量精度相對(duì)較高,價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是測(cè)量量程和精度受玻璃質(zhì)量與測(cè)溫介質(zhì)的性質(zhì)限制，且易碎。

(5) 壓力式溫度計(jì):壓力式溫度計(jì)是利用封閉容器內(nèi)的液體,氣體或飽和蒸汽受熱后產(chǎn)生體積膨脹或壓力變化作為測(cè)量信號(hào)。它的基本結(jié)構(gòu)是由溫包、毛細(xì)管和指示表三部分組成。壓力式溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)械強(qiáng)度高,不怕震動(dòng)，價(jià)格低廉,不需要外部能源。缺點(diǎn)是:熱損失大，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3 收集資料,了解溫度測(cè)量的歷史以及兩種主要的溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

教學(xué)目標(biāo):(1) 了解溫度測(cè)量的歷史。(2) 知道兩種生活中常見(jiàn)的溫度標(biāo)準(zhǔn)：攝氏溫標(biāo),華氏溫標(biāo)。

學(xué)習(xí)資料:溫度計(jì)的發(fā)展史。

溫度計(jì)在1593年由意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明，他的第一只溫度計(jì)是一根一端開(kāi)口的玻璃管,另一端帶有玻璃泡。使用時(shí)先對(duì)玻璃泡加熱,然后把玻璃管插入水中。隨著溫度的變化,玻璃管中的水面就會(huì)上下移動(dòng),根據(jù)移動(dòng)的多少可以判定溫度的變化和溫度的高低。

后來(lái)伽利略的學(xué)生和其他科學(xué)家,在這個(gè)基礎(chǔ)上反復(fù)改進(jìn),如把玻璃管倒過(guò)來(lái),把液體放在管內(nèi),把玻璃管封閉等。比較突出的是法國(guó)人布利奧在1659年制造的溫度計(jì),他把玻璃泡的體積縮小,并把測(cè)溫物質(zhì)改為水銀,具備了溫度計(jì)的雛形。以后荷蘭人華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測(cè)量物質(zhì),制造了更精確的溫度計(jì)。他觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時(shí)的溫度、鹽水和冰混合時(shí)的溫度;經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與核準(zhǔn),最后把一定濃度的鹽水凝固時(shí)的溫度定為0℉,把純水凝固時(shí)的溫度定為32℉,把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉代表華氏溫度,這就是華氏溫度計(jì)。

華氏溫度計(jì)制成后又經(jīng)過(guò)30多年,瑞典人攝爾修斯于1742年改進(jìn)了華倫海特溫度計(jì)的刻度,他把水的沸點(diǎn)定為0度,把水的冰混合物的溫度定為100度。后來(lái)他的同事施勒默爾把兩個(gè)溫度點(diǎn)的數(shù)值又倒過(guò)來(lái)(即沸點(diǎn)為100度,冰水混合物為0度),就成了百分溫度,即攝氏溫度,用℃表示。

包括中國(guó)在內(nèi)的世界上很多國(guó)家都使用攝氏度作為計(jì)量單位,美國(guó)和其他一些英語(yǔ)國(guó)家主要使用華氏度作為計(jì)量單位。

2.4 動(dòng)手做一做,制作一支溫度計(jì)

課時(shí)目標(biāo):(1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,知道液體具有熱脹冷縮現(xiàn)象。(2) 設(shè)計(jì)出能初步測(cè)量溫度高低的簡(jiǎn)易溫度計(jì)。(3) 通過(guò)比較,了解到制作溫度計(jì)的最佳器材組合。(4) 制作出一把能測(cè)量溫度的溫度計(jì)。

制作器材:橡皮塞、打孔器、粗細(xì)不同的玻璃管、大小不同的玻璃瓶、紅墨水等。

制作方法:用打孔器給橡皮塞開(kāi)孔,將細(xì)玻璃管插入橡皮塞中,在玻璃瓶?jī)?nèi)灌滿水,用橡皮塞塞住瓶口,一個(gè)簡(jiǎn)易溫度計(jì)就做成了。

制作心得:給橡皮塞開(kāi)孔難倒了很多同學(xué),雖然有開(kāi)孔器幫忙,但是一開(kāi)始沒(méi)有掌握要領(lǐng),沒(méi)有用水潤(rùn)滑,開(kāi)孔費(fèi)了好多勁,后來(lái)在老師的幫助下,順利完成了。

2.4.1 體驗(yàn)液體的熱脹冷縮現(xiàn)象

將裝有自來(lái)水的瓶子直接放入熱水中,發(fā)現(xiàn)水柱上升,但是不易觀察。

師:同學(xué)們有什么好的建議？

生:可以在瓶中滴入紅墨水,以便于觀察液柱變化。

圖2

制作中感悟:如果瓶中只放入水的話觀察水柱上升情況不太明顯,應(yīng)該在水中加入幾滴紅墨水。如圖2所示，將瓶子放入熱水中會(huì)觀察到,紅色液柱會(huì)迅速上升,從熱水中取出后,管內(nèi)的液柱又明顯下降了。

2.4.2 比較管子長(zhǎng)短對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

準(zhǔn)備兩個(gè)大小一樣的瓶子,插入瓶中的玻璃管粗細(xì)相同。

師:過(guò)段時(shí)間后觀察,發(fā)現(xiàn)什么？

生:短玻璃管中的水很快溢了出來(lái)。

師生總結(jié):通過(guò)實(shí)驗(yàn)知道,短玻璃管中的水柱上升一段后會(huì)溢出管外,所以長(zhǎng)管子制成的溫度計(jì)能測(cè)量更大范圍的溫度(量程大)。

2.4.3 比較管子粗細(xì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

準(zhǔn)備兩個(gè)大小一樣的瓶子,將粗細(xì)不同的玻璃管插入瓶中。

師:將兩個(gè)瓶子同時(shí)放入熱水中觀察,發(fā)現(xiàn)了什么？

生:在細(xì)玻璃管中液柱上升得快。

師:說(shuō)明什么？

生:思考后回答,細(xì)玻璃管的反應(yīng)比較靈敏,測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

師生總結(jié):通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),細(xì)玻璃管中的液柱上升較快,粗玻璃管中的液柱升高緩慢,由此可知,細(xì)玻璃管的分度值大,測(cè)量結(jié)果更精確,而粗玻璃管的液柱上升緩慢,制成的溫度計(jì)可以有較大的量程。

2.4.4 比較瓶子大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

師:把粗細(xì)相同的玻璃管插入大小不同的瓶子,同時(shí)放入熱水,觀察瓶中的液柱上升情況。請(qǐng)大家猜想一下,可能哪個(gè)會(huì)升高得快一點(diǎn)？

生:有人說(shuō)小瓶子,也有人說(shuō)大瓶子中液柱上升得快。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:把粗細(xì)相同的玻璃管插入大小不同的瓶子,同時(shí)放入熱水,發(fā)現(xiàn)大瓶子中的液柱快速上升。

師:說(shuō)明了什么？

生:討論后總結(jié)得出,反映出大瓶子的靈敏度較好,可制成分度值較大的測(cè)溫儀器；而小瓶子中的液柱上升較緩慢,可以制成量程較大的溫度計(jì)。

2.4.5 總結(jié)

(1)應(yīng)該用小瓶子(量程大、攜帶方便)、又細(xì)(靈敏、分度值大)、又長(zhǎng)(量程大)的玻璃管制作溫度計(jì)。

(2)不同液體的熱脹冷縮特性不同,煤油溫度計(jì)的靈敏度更高一些。

2.4.6 按照攝氏溫度標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)刻度

師:實(shí)驗(yàn)中插有玻璃管的小瓶子能直接測(cè)量溫度嗎？

生:不能。

師:還缺什么？

生:還缺刻度,有了刻度才能準(zhǔn)確測(cè)量物體的溫度。

師:怎么標(biāo)刻度呢？大家找找相關(guān)資料。

生:攝氏溫標(biāo)規(guī)定,利用冰水混合物和沸水,給溫度計(jì)定好0度和100度的刻度,然后再將其劃分為100等份,標(biāo)出刻度。

設(shè)計(jì)與制作:根據(jù)以上步驟,進(jìn)行溫度計(jì)的制作。

試測(cè)與優(yōu)化:試測(cè)溫水、冷水、冰塊的溫度。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:(1) 制作的溫度計(jì)在0℃以下無(wú)法進(jìn)行測(cè)量；(2) 溫度計(jì)反應(yīng)不靈敏。

優(yōu)化措施:(1) 按照0℃-100℃的間距標(biāo)準(zhǔn),在0℃的下方繼續(xù)標(biāo)注刻度,這樣就可以測(cè)出0℃以下的溫度。(2) 更換更細(xì)的玻璃管,瓶子稍大一些,可適當(dāng)增加量程和分度值。(3) 更換瓶?jī)?nèi)液體,換成酒精或煤油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)靈敏度比水要好很多。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)：酒精的沸點(diǎn)為78℃,不適合測(cè)量熱水的溫度,最后確定用煤油來(lái)替代水作為測(cè)溫液體。

展示與評(píng)價(jià):小組合作交流展示,教師用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)出水槽中水的溫度,各小組學(xué)生代表用自己制作的溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)測(cè)量的精度評(píng)選出優(yōu)勝獎(jiǎng)。

拓展與應(yīng)用:在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,有學(xué)生提出,既然可以利用液體的熱脹冷縮現(xiàn)象制作溫度計(jì),那么空氣有沒(méi)有熱脹冷縮現(xiàn)象呢？能否仿照液體熱脹冷縮現(xiàn)象制作一個(gè)氣體溫度計(jì)呢？

實(shí)驗(yàn)探究:把瓶子中的水倒掉,在細(xì)管中留有一段水柱,當(dāng)用橡皮塞塞緊瓶口,用手捂瓶子的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)小水柱快速上升(如圖3)。

圖3

圖4

結(jié)論:空氣的熱脹冷縮現(xiàn)象更加明顯,但此裝置也存在一些問(wèn)題需要改進(jìn)。小水柱上下浮動(dòng)太厲害,手捂時(shí)間稍長(zhǎng)就飛出了管口。引導(dǎo)學(xué)生討論,怎么解決這個(gè)問(wèn)題？上網(wǎng)查閱資料，改進(jìn)制作。

學(xué)生匯報(bào):(1) 用菜籽油代替小水柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因?yàn)橛途哂叙?可以更好地觀察小液柱的上下浮動(dòng)情況;(2) 可以采用如圖4所示的方式,將此空氣溫度計(jì)倒置在水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過(guò)觀察水柱高低來(lái)表示溫度高低。