劉沁心

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)江寧分校，江蘇 南京 211102)

1 引言

物理學(xué)是一門以觀察和實驗為主的學(xué)科,而實驗教學(xué)則是物理教學(xué)的重要手段．《新課標(biāo)》要求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力,挖掘物理與生活之間的聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的水平．除了教科書所規(guī)定的必做實驗,一些具有創(chuàng)新性的非常規(guī)物理實驗,或一些與時俱進(jìn)的新型器材,對于部分物理知識的教學(xué)也起到了非常有效的作用．若沒有這些創(chuàng)新實驗,學(xué)生對內(nèi)能的認(rèn)識僅僅停留在抽象的理論層面,對熱傳遞也僅僅依靠小學(xué)科學(xué)課上學(xué)過的知識.這樣的課堂雖然學(xué)生都能夠順利完成,達(dá)到教學(xué)目標(biāo),卻忽略了學(xué)生的體驗與個性發(fā)展．基于此,教師要創(chuàng)新初中物理實驗教學(xué),激發(fā)學(xué)生的實驗興趣,提升物理實驗教學(xué)效率．

2 “內(nèi)能 熱傳遞”教學(xué)過程

“內(nèi)能 熱傳遞”是在學(xué)生完成分子動理論和機械能等物理知識的基礎(chǔ)上,學(xué)習(xí)內(nèi)能這種全新的能量,并了解改變內(nèi)能的其中一種方式——熱傳遞．既是前面知識的拓展與延伸,也為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)．下面筆者通過設(shè)計一系列創(chuàng)新實驗與探索活動,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解內(nèi)能的概念與熱傳遞．

圖1 橡皮筋動力小車

2.1 利用兩種小車,引入新課

演示實驗1:橡皮筋動力小車.

師:不用手推,你可以讓圖1小車動起來嗎?

(演示:轉(zhuǎn)動車輪,使橡皮筋形變,小車動起來.)

師:運動的小車具有什么能?

生:動能．

師:它的動能是由什么能轉(zhuǎn)化而來的?

生:橡皮筋的彈性勢能．

圖2 外燃機小車

演示實驗2:外燃機小車.

師:這個小車的管內(nèi)只有空氣,你可以讓它動起來嗎?

(演示:酒精燈加熱玻璃管,小車動起來，如圖2所示.)

師:小車此時的動能必然也是一種能量轉(zhuǎn)化而來的,這種能量是一種與分子熱運動有關(guān)的能量,也就是我們今天要學(xué)習(xí)的“內(nèi)能”．

設(shè)計意圖:內(nèi)能是一種十分抽象的能量,課本上直接給出汽油、煤、天然氣等燃燒放熱,以及物體摩擦發(fā)熱,釋放的都是一種與熱運動有關(guān)的能量,即內(nèi)能．筆者認(rèn)為這樣直接指出內(nèi)能,學(xué)生直觀體驗不夠,無法理解這種能量．而通過外燃機小車與橡皮筋動力小車的對比,發(fā)現(xiàn)小車的動能必然由一種能量轉(zhuǎn)化而來,加熱氣缸后才可以有能量轉(zhuǎn)化出來,學(xué)生直觀體驗到此能量與溫度及分子熱運動的關(guān)系,有利于之后學(xué)習(xí)的鋪墊．

2.2 認(rèn)識內(nèi)能

2.2.1 內(nèi)能的定義

師:要認(rèn)識內(nèi)能,我們必須回顧分子動理論．分子動理論有哪些內(nèi)容?

生:分子在永不停息地做無規(guī)則運動;分子間有相互作用的引力和斥力;分子間有空隙．

師:類比物體的動能和勢能,你覺得分子有動能和勢能嗎?

生:有,因為分子在運動,所以有動能．

師:我們稱之為分子動能．

生:彈簧有相互作用力,物體和地球間也有相互作用力,它們有勢能,因為分子間也有相互作用力,所以也有勢能．

師:我們稱之為分子勢能．

師:一個物體動能與勢能的總和是機械能,那么一個分子的分子動能和分子勢能的總和是什么呢?

生:內(nèi)能．

師:大家同意他的看法嗎?

生:物體內(nèi)部有大量分子,所以內(nèi)能應(yīng)該是物體內(nèi)所有分子動能與分子勢能的總和．

師:大家同意他的觀點嗎?非常好,這就是內(nèi)能的概念．

師:汽油、柴油燃燒釋放的能量屬于內(nèi)能,摩擦生的熱也屬于內(nèi)能．

設(shè)計意圖:此處主要是類比物體的動能與勢能,引導(dǎo)學(xué)生思考分子有動能和勢能嗎,進(jìn)而得出內(nèi)能的概念．需注意的是,研究單個分子的分子動能和與分子勢能和是沒有意義的,教學(xué)時應(yīng)強調(diào)此點．

2.2.2 哪些物體有內(nèi)能

(投影圖片3:地面上運動的外燃機小車.)

師:此時管內(nèi)的空氣有內(nèi)能嗎?為什么?

生:有內(nèi)能轉(zhuǎn)化為小車機械能．

(投影圖片4:地面上靜止的外燃機小車.)

師:現(xiàn)在管內(nèi)的空氣有沒有內(nèi)能?為什么?

圖3 點火加熱的外燃機小車

圖4 靜止的外燃機小車

生:有,空氣分子在永不停息地運動,所以此時空氣有內(nèi)能．

設(shè)計意圖:學(xué)生很容易認(rèn)為只有加熱后的、溫度高的物體才具有內(nèi)能,此時必須通過實例深化理解內(nèi)能的概念,只要分子運動不停止,內(nèi)能就一直存在,通過圖3與圖4同一輛小車不同狀態(tài)下的對比,很好地形成了認(rèn)知沖突．

演示實驗3:溫差發(fā)電燈泡.

圖5 加熱一端后亮起的溫差發(fā)電燈泡

(演示:加熱溫差發(fā)電燈泡后燈泡亮起,如圖5.)

師:加熱后的金屬有內(nèi)能嗎?為什么?

生:因為其轉(zhuǎn)化為燈泡的電能．

師:冷的金屬有沒有內(nèi)能?

(演示:冷水泡加熱端,使燈熄滅)

師:此時,沒有內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為燈泡的電能了．現(xiàn)在,我讓金屬的另一端變冷,有多冷?-78 ℃．

圖6 冷卻一端后亮起的溫差發(fā)電燈泡

(演示:金屬另一端放干冰,燈泡再次亮起,如圖6.)

師:燈亮了,這說明什么?

生:冷的金屬有內(nèi)能．

師:為什么-78 ℃的金屬也有內(nèi)能呢?

生:因為此時金屬分子也在運動．

師:其實,這套裝置是利用溫差發(fā)電的原理,只要兩端金屬間存在足夠的溫度差,金屬的內(nèi)能就能被轉(zhuǎn)化利用起來．

師:所以,你覺得什么物體有內(nèi)能?為什么?

生:一切物體,因為一切物體的分子都在永不停息地?zé)o規(guī)則運動．

師:一切物體都有內(nèi)能,那是不是一切物體都有機械能?

生:一切物體都有內(nèi)能,但不是所有物體都有機械能．只有正在運動或被舉高或發(fā)生彈性形變的物體才具有機械能．

設(shè)計意圖:課本以及大多數(shù)教師在這塊的處理方式僅僅是展示出一張冰山的圖片,讓學(xué)生通過任何物體的分子都在永不停息地運動推理出:無論溫度高低物體都有內(nèi)能,缺乏真實體驗,甚至心中可能還存有疑惑．此處筆者創(chuàng)新性地使用溫差發(fā)電小燈泡,巧妙地利用該裝置只要兩端金屬間存在足夠的溫度差,金屬的內(nèi)能就能被轉(zhuǎn)化利用起來．學(xué)生在觀察到加熱后燈泡亮并不驚訝,他們已經(jīng)形成思維慣性,只要加熱,金屬的內(nèi)能就可以轉(zhuǎn)化成燈泡的電能．但是接下來的實驗讓他們形成了激烈的認(rèn)知沖突:金屬一端加-78 ℃的干冰,金屬的內(nèi)能仍然能轉(zhuǎn)化出來．現(xiàn)象清楚,疑惑解除,概念加深．

2.2.3 內(nèi)能大小與溫度的關(guān)系

(投影圖片:地面上運動的外燃機小車.)

師:空氣本身有內(nèi)能,可是加熱后空氣的內(nèi)能才轉(zhuǎn)化為小車的機械能,這又說明什么?

生:內(nèi)能大小與溫度有關(guān)．溫度越高,內(nèi)能越大．

師:溫度會影響內(nèi)能嗎?又是如何影響的呢?

設(shè)計意圖:此處再次利用外燃機小車引出內(nèi)能與溫度的關(guān)系,承上啟下．

分組實驗1:觀察擴散快慢與溫度的關(guān)系.

圖7 冷、熱水中的紅墨水

師:請大家按照書本活動12.4的要求,完成實驗,老師同時從另一個角度來演示紅墨水的擴散．如圖7,上面這根試管是冷水,下面是熱水．

演示實驗4:在兩根試管中同時滴紅墨水.

師:你觀察到的現(xiàn)象和老師的一樣嗎?此現(xiàn)象說明什么?

生:溫度越高,墨水?dāng)U散得越快．

師:墨水?dāng)U散得快說明什么?

生:分子運動越劇烈,分子動能越大,內(nèi)能越大．

師:所以溫度越高,內(nèi)能越大．

設(shè)計意圖:創(chuàng)新性地利用橫試管演示紅墨水的擴散實驗,可顯示橫向的擴散,一定程度上減弱了重力對實驗的影響,避免了部分學(xué)生會認(rèn)為墨水?dāng)U散主要是因為墨水受到重力的緣故．

(投影:3杯水,如圖8.)

圖8 質(zhì)量、溫度不同的3杯水

師:哪杯水的內(nèi)能最大?

生:A杯水質(zhì)量大溫度高,所以內(nèi)能最大．

師:為什么?

生:內(nèi)能還與物體質(zhì)量有關(guān),分子數(shù)越多,所有分子動能和與勢能和就越大,內(nèi)能就越大．

師:哪杯水的內(nèi)能最小?

生:B.

2.3 熱傳遞

師:B這杯水內(nèi)能最小,不改變水的質(zhì)量,你能想方法增大水的內(nèi)能嗎?

生:用火燒、太陽曬、放到熱水里、用手捂．

師:這些方法有什么共同點嗎?

生:火、太陽、熱水、手與水之間都存在溫度差．

師:為什么它們之間存在溫差,就可以改變冷水的內(nèi)能?對另一個物體的內(nèi)能會有影響嗎?

師:現(xiàn)在我們就選用其中一種方法，將這杯冷水放入大杯熱水中,看看還會有更多的發(fā)現(xiàn)嗎?

圖9 溫度傳感器測水溫

分組實驗2:冷水放進(jìn)熱水里,觀察它們溫度的變化.

師:將溫度探頭分別放入兩杯水中,如圖9;待傳感器溫度示數(shù)穩(wěn)定后,再將小燒杯放入大燒杯中,如圖10,在溫度傳感器顯示屏上觀察兩杯水的溫度變化,如圖11．

圖10 溫度傳感器測水溫 圖11 溫度傳感器顯示屏

同時教師會將溫度數(shù)據(jù)采集錄入電腦坐標(biāo)系中．

(投影溫度坐標(biāo)圖像,如圖12.)

師:你觀察到什么現(xiàn)象?

生:冷水溫度升高,熱水溫度降低,最終溫度相等．

師:這些現(xiàn)象說明冷水和熱水的內(nèi)能分別經(jīng)歷了怎樣的改變?

圖12 溫度數(shù)據(jù)采集圖像

生:冷水內(nèi)能增大,熱水內(nèi)能減少．

師:這說明內(nèi)能在冷水和熱水之間發(fā)生了轉(zhuǎn)移．我們把這種物體之間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象叫作熱傳遞．

設(shè)計意圖:由于學(xué)生在小學(xué)時學(xué)習(xí)過熱傳遞,所以教材在這塊內(nèi)容上采取讓學(xué)生列舉生活中熱傳遞實例的方式,總結(jié)其規(guī)律,缺乏直觀體驗．筆者利用溫度傳感器采集的溫度變化圖像,形象直觀地體現(xiàn)了發(fā)生熱傳遞時兩物體內(nèi)能的變化以及熱傳遞最終的結(jié)果．

師:用火燒、太陽曬、放到熱水里、用手捂這些方法都屬于熱傳遞,要發(fā)生熱傳遞,必須滿足什么條件?

生:兩個物體存在溫度差．

師:內(nèi)能會一直發(fā)生轉(zhuǎn)移嗎?

生:不會．

師:什么時候內(nèi)能就停止轉(zhuǎn)移了?為什么?

生:最后它們溫度相等,內(nèi)能不變,所以此時內(nèi)能停止轉(zhuǎn)移．

師:結(jié)合以上實例,你覺得發(fā)生熱傳遞時,內(nèi)能總是從哪里轉(zhuǎn)移到哪里?

生1:從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體．

師:還有不同意見嗎?

生2:從內(nèi)能大的物體轉(zhuǎn)移到內(nèi)能小的物體．

師:你們同意哪位同學(xué)的觀點?怎樣反駁生2呢?

(演示此時的一小杯冷水和一大杯熱水.)

師:冷水熱水溫度此時相等,但大燒杯中水的內(nèi)能大,它們放在一起,還能發(fā)生熱傳遞嗎?這說明什么?

生:熱傳遞時,能量不是從內(nèi)能大的物體轉(zhuǎn)移到內(nèi)能小的物體．

2.4 熱量

師:我們就把物體在熱傳遞過程中轉(zhuǎn)移的能量叫作熱量,符號Q表示,單位焦耳．

師:在熱傳遞過程中,高溫物體放出熱量,低溫物體吸收熱量．

師:我們可以說物體“具有”多少熱量嗎?

生:不能,因為熱量是轉(zhuǎn)移的那部分能量．

師:所以,熱量是一個過程量,不能說“具有多少熱量”．

2.5 小結(jié)

(投影圖片:地面上運動的外燃機小車.)

師:課堂一開始的這輛小車,運用到了我們今天學(xué)習(xí)的哪些知識?

生:氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為小車的機械能,氣體有內(nèi)能;溫度越高,內(nèi)能越大;氣體內(nèi)能增大是因為火與氣體之間發(fā)生了熱傳遞;氣體增加的內(nèi)能叫作熱量．

設(shè)計意圖:外燃機小車貫穿整節(jié)課,既引入內(nèi)能概念,又鋪墊了哪些物體有內(nèi)能以及內(nèi)能與溫度的關(guān)系,最后讓學(xué)生總結(jié)外燃機小車上包含的本節(jié)課知識,使學(xué)生概念得到進(jìn)一步深化,并很好地結(jié)合了生活實際,貫徹了新課標(biāo)中“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念．

3 結(jié)束語

總之,在初中物理實驗教學(xué)中,教師要貼合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣創(chuàng)新實驗教學(xué),將抽象的物理實驗變得具象生動,將冰冷的實驗過程變得充滿溫度．通過多媒體、改進(jìn)原實驗、制作小實驗等步驟,引導(dǎo)學(xué)生主動思考,從生活中啟迪,從課堂中創(chuàng)新,達(dá)到初中物理實驗高效課堂,提升中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．