王紹剛 向優(yōu)生 胡愛華

(1. 重慶市九龍坡區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院，重慶 400050；2. 重慶市禮嘉中學(xué)，重慶 401122；3. 重慶市田家炳中學(xué)，重慶 400050)

1 研究背景

熱成像技術(shù)是指利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像測(cè)試被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖，把不可見的物體發(fā)出的紅外能量轉(zhuǎn)化為可見的熱圖像，通過手機(jī)或電腦顯示。根據(jù)物體表面的輻射特點(diǎn)，可以用熱成像技術(shù)來觀察初中階段一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)的溫度變化和熱分布情況?，F(xiàn)行教材主要借助液體溫度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其測(cè)溫的缺點(diǎn)是可視性差和操作復(fù)雜，因?yàn)樗捅粶y(cè)液體達(dá)到熱平衡才能讀出溫度，并要記錄多個(gè)溫度變化，同時(shí)實(shí)驗(yàn)往往還需要兩支溫度計(jì)同時(shí)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，既影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，又會(huì)干擾學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的判斷。而熱成像儀可以同時(shí)對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行成像測(cè)量，物體溫度的差別及變化能夠得到直觀呈現(xiàn)。將熱成像技術(shù)引入初中熱學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的步驟。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 探究不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)，研究電流的熱效應(yīng)

在探究不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)時(shí)采用相同質(zhì)量的水和食用植物油，裝在相同型號(hào)的試管中，固定在支架上，在長(zhǎng)方體玻璃水缸內(nèi)緩慢加入燒開的水對(duì)兩個(gè)試管內(nèi)的液體同時(shí)進(jìn)行水浴加熱，熱源使用電加熱器。實(shí)驗(yàn)操作過程為：將電熱水壺?zé)_的熱水倒入玻璃槽中，水浴加熱試管中的液體，打開熱成像儀進(jìn)行熱成像。教學(xué)中可以采用教室投影儀投影展示，效果極佳。

2.2 利用萘模擬“霧凇”的凝華

實(shí)驗(yàn)采用家里用的樟腦丸(主要成分為萘)，將其研磨成粉末狀，然后裝在圓底燒瓶中，將松枝根莖固定在橡膠塞的一端，加熱圓底燒瓶使得晶體萘熔化成液體并隨之汽化成萘蒸汽。通過熱成像發(fā)現(xiàn)晶體萘從圓底燒瓶底部吸收了大量的熱量，當(dāng)燒瓶中萘蒸汽較多時(shí)還會(huì)出現(xiàn)大量的高溫萘蒸汽，其整體熱成像圖像的顏色也較深(圖1)。

圖1

2.3 萘凝華實(shí)驗(yàn)

在燒瓶底部看見有明顯的“冰晶”，是萘蒸汽遇冷凝華形成的(圖2)，并且“冰晶”形成在容器的內(nèi)壁。如圖3所示，取出松枝，在松枝枝葉的表面凝結(jié)了大量的”小冰晶”，和霧凇的形成原理相同。通過本實(shí)驗(yàn)，可以在教學(xué)中突破“升華、凝華”吸放熱的教學(xué)難點(diǎn)，為教師形象直觀地演示“升華、凝華”實(shí)驗(yàn)提供了思路，“熱成像技術(shù)”直觀地顯示了萘在發(fā)生升華和凝華過程中的溫度變化特點(diǎn)，可以直接分析出熱傳遞的方向以及判斷“物態(tài)變化過程中吸放熱的情況”，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生探索的欲望。

圖2

圖3

3 利用熱成像儀探究不同物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)

初中熱學(xué)部分內(nèi)容在中考物理試卷中主要體現(xiàn)在：比熱容、熱傳遞、內(nèi)能的概念等知識(shí)的理解和計(jì)算。

教材中探究比熱容定義式的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了兩種控制變量法：(1)用兩個(gè)相同的酒精燈(或相同規(guī)格的電加熱絲)加熱相同質(zhì)量的煤油和水，比較吸收相同熱量時(shí)煤油和水哪個(gè)溫度升高得更多。(2)相同質(zhì)量的煤油和水升高相同的溫度，比較哪個(gè)加熱的時(shí)間更長(zhǎng)？即哪個(gè)吸收的熱量更多？

如圖4所示，對(duì)相同質(zhì)量的水和煤油同時(shí)用水浴法加熱，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行15分鐘的加熱和15分鐘的放熱，每隔5分鐘觀察一次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行熱成像記錄。裝置左側(cè)試管裝的是水，右側(cè)試管裝的是煤油，加熱前水和煤油的初溫和質(zhì)量相同，使其吸收相同熱量，每張圖中左側(cè)試管呈“淺粉色”，右側(cè)試管呈現(xiàn)“深紅色”，煤油在各個(gè)時(shí)刻的熱成像圖像中顏色都“較深”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煤油溫度上升的速度大于水，可見水的吸熱本領(lǐng)比煤油大。

圖4

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于“熱成像技術(shù)”的“探究不同物質(zhì)吸熱本領(lǐng)”實(shí)驗(yàn)?zāi)芮逦庇^地在教學(xué)中反應(yīng)溫度的變化和分布情況，得出“不同物質(zhì)吸熱本領(lǐng)不同”的結(jié)論，同時(shí)該方案也是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)。在“探究焦耳定律”實(shí)驗(yàn)中，研究電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量與什么因素有關(guān)，傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)建議采用轉(zhuǎn)換法，通過觀察U形管液面的高度差來比較通電導(dǎo)體放出熱量的多少。而采用熱成像圖可直接觀察顏色的深淺來判斷溫度的高低和放出熱量的多少，有效地減少了因?yàn)檠b置氣密性不好對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)捷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性更高。

4 結(jié)語(yǔ)

基于“熱成像技術(shù)”的初中熱學(xué)實(shí)驗(yàn)可以直觀地顯示所要對(duì)比的溫度的變化和分布，圖像顏色的差異觀察比溫度計(jì)示數(shù)的讀數(shù)更加方便與快捷。本文為熱成像技術(shù)在“探究不同物質(zhì)吸熱本領(lǐng)”“探究晶體凝華的吸放熱情況”和“熱傳遞方向”的教學(xué)提供具體的實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案，熱成像技術(shù)具有廣泛的初中實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用前景，這種實(shí)驗(yàn)手段的融入有助于吸引學(xué)生的注意力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，激發(fā)他們的創(chuàng)造創(chuàng)新熱情，在實(shí)際教學(xué)過程中顯示出了很好的效果，具有廣闊的推廣前景。