江耀基,肖春燕,藍斗高
(1.安福中學,江西 吉安 343200;2.城北學校,江西 吉安 343200; 3.高安市第四中學,江西 宜春 330800)
做功改變內能是教材中的2個演示實驗[1],它既是本節(jié)教學中的重點,也是學生學習的難點,為了突破該知識點,教材上安排了如圖1所示的2個實驗. 在圖1(a)中,把活塞迅速下壓,觀察到棉花燃燒,得出活塞壓縮空氣做功,使空氣內能增大,溫度升高,達到硝化棉的燃點. 在圖1(b)中,向瓶內打氣,當瓶塞跳出時,觀察到瓶內出現白霧,說明水蒸氣液化成小水珠,得出氣體膨脹對外做功,內能減小,溫度降低. 由此可見,做功也可以改變物體的內能[1].
(a) (b)圖1 教材中實驗
在教學實踐中發(fā)現,上述2個實驗在具體的實驗操作時都存在問題.
圖1(a)實驗存在的問題:
1)向下壓縮空氣,有時看不到棉花燃燒,實驗現象不明顯;
2)看不到棉花燃燒現象,無法說明對物體做功,得不到內能增大的實驗結論;
3)如果使用不當,會造成實驗儀器破裂,存在安全隱患.
圖1(b)實驗中存在的問題:
1)塞子跳出時,有時看不到瓶內出現白霧,實驗現象不明顯;
2)塞子塞得太緊,塞子不容易沖出,要反復打氣,可能存在安全隱患;
3)燒瓶內溫度的變化無法直接體現.
教材中的2個實驗,是通過實驗現象來說明溫度的變化,如“棉花燃燒展示溫度升高”、“出現白霧展示溫度降低”. 這些現象的原理需要教師向學生解釋,且實驗為定性實驗無法展示溫度的數值變化. 為此,將該實驗裝置進行了改進,改進的實驗采用電子溫度計測量實驗裝置內空氣的溫度,通過直接觀察電子溫度計屏上顯示的空氣溫度變化,說明“溫度升高”或“溫度降低”實驗結論. 另外,通過激光筆照射實驗裝置內空氣可見度的變化判斷是否出現白霧. 通過改進,實驗現象更明顯、直觀.
教材中的2個實驗,是相互獨立的,演示時需要分開進行,占用了教學時間. 為此,可將2個實驗進行合并,設計了新的實驗演示儀,如圖2所示. 該演示儀由支架、大號注射器(200 mL)、激光筆、數字溫度計、感溫探頭(裝在活塞內)、卡口、孔塞(用細繩系在支架上)等組成. 其中注射器的針筒固定在支架可上下移動的活動橫桿上,數字溫度計、激光筆分別固定在支架上相應的位置.
圖2 做功改變內能實驗演示儀
1)在注射器內加入少量的酒精(或水),將活動橫桿(針筒)向上移動一段距離,同時把注射器的活塞往下拉與支架底座相接觸,在注射器嘴上套緊孔塞,這樣注射器內就密封了一段空氣.
2)打開數字溫度計,記下此時注射器內密封空氣的初溫t0. 打開激光筆,用雙手按住活動橫桿的兩側,突然迅速向下用力壓縮注射器內的密封空氣,直到活動橫桿被兩側的卡口固定為止,觀察此時數字溫度計上顯示的末溫t. 實驗發(fā)現末溫t明顯高于初溫t0.
3)待數字溫度計上顯示的溫度下降一定溫度并穩(wěn)定后,用鑰匙手動開啟注射器嘴上的孔塞[如圖3(a)],觀察到數字溫度計示數出現明顯下降,同時針筒內出現明顯的紅光束,說明針筒內出現白霧[如圖3(b)].
(b)注射器內產生了霧圖3 實驗現象
由步驟1)~2)可知,對物體(壓縮空氣)做功,內能增大,溫度升高;由步驟3)可知,氣體膨脹對外做功,內能減小,溫度降低.
改進實驗中,利用數字溫度器和激光筆,使做功改變內能的實驗現象更加明顯,提高了實驗現象的直觀性;通過實驗方案的整合,增強了實驗裝置的實用性和可循環(huán)使用性;通過簡化實驗步驟,使眾多的、繁瑣的實驗操作步驟得以優(yōu)化,確保了物理教學中演示實驗的成功率,激發(fā)了學生的學習興趣,培養(yǎng)了學生的綜合能力,提升了學生的核心素養(yǎng).