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        多功能分子間隙實驗儀創(chuàng)新方案

        2022-05-04 22:02:52陳錦華
        中學(xué)理科園地 2022年2期
        關(guān)鍵詞:實驗儀

        陳錦華

        摘 ? 要::現(xiàn)行的初中物理實驗室沒有分子間隙顯示的相關(guān)儀器,一線教師在教學(xué)中采用一些方法雖也可得出分子間存在間隙的結(jié)論,但是其呈現(xiàn)的效果并理想。在以往驗證分子間存在間隙的演示實驗中,普遍采用水與實驗室酒精混合的方式進(jìn)行驗證,首先在溶液的傾倒過程中存在較大的誤差,而且實驗效果并不是很明顯,二者在混合后溫度升高的現(xiàn)象無法直接呈現(xiàn)給學(xué)生。本文介紹了一款分子間隙顯示儀,其將水和酒精混合在裝置中,觀察端的液面下降可達(dá)7 cm,同時借助內(nèi)嵌的溫度計模塊,讓學(xué)生觀察到實驗過程伴隨的溫度變化。本器材不但能完成驗證分子間隙的實驗,同時還可完成氣體做功內(nèi)能變化實驗。

        關(guān)鍵詞:分子間存在間隙;實驗儀;顯示溫度

        筆者曾經(jīng)在擔(dān)任十年初中物理教學(xué)工作中,為了驗證分子間存在間隙,采用兩個100 ml量筒分別裝50 ml的水和50 ml的實驗室酒精(如圖1),分別在水和酒精中滴入紅色墨水染色后,將水倒入裝酒精量筒,總液體體積為97 ml(如圖2)。微弱的液面下降無法全班同學(xué)可見,需要第一排學(xué)生讀數(shù)后轉(zhuǎn)達(dá)給其余學(xué)生,因此全班大部分學(xué)生都是間接知道兩種液體混合體積減小。

        初中物理課程的基本理念是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng),而科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一種重要而有效的途徑[ 1 ]。在核心素養(yǎng)背景下,物理實驗的優(yōu)勢是其他手段無法替代的,因此落實物理實驗勢在必行。現(xiàn)行初中物理實驗室沒有驗證分子存在間隙的相關(guān)儀器,當(dāng)水和酒精混合后溫度會升高,無法直接顯示給學(xué)生。經(jīng)文獻(xiàn)查詢,在張俠老師的“淺談幾個物理演示實驗的改進(jìn)”[ 2 ]一文中,先往容量瓶中加入50 ml的水,并在液面處畫好標(biāo)記線,將水倒出,采用兩只25 ml的酸式滴定管分別添加酒精和水混合均勻。實驗完成后可看到液面低于標(biāo)記線1 cm,如圖3。

        圖3 ?酒精和水加入容量瓶中實驗步驟

        如果能夠設(shè)計一款操作簡單,體積變化效果明顯、顯示溫度變化的分子間隙顯示儀,則不僅能夠提高課堂教學(xué)的便利性、提升教學(xué)效率,而且能夠提高教師課堂實驗的積極性、提高學(xué)生的觀察力,同時根據(jù)溫度變化的原因,提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。而一個實驗裝置的多種用途,可節(jié)約實驗裝備成本。

        1 ?器材及改進(jìn)方式

        1.1 ?所需器材

        250 ml針筒兩個、單向閥一個、30 cm注射液軟管(直徑4 mm)一根、8 cm注射液軟管(直徑2 mm)一根、熱電偶溫度計一個、10 cm×15 cm塑料板一塊、溫度計支架一個(選配)。

        1.2 ?項目整體外觀(如圖4)

        本項目的成果做成教具形式,由3個模塊組成,實驗反應(yīng)裝置、注射模塊、溫度顯示模塊。

        1.3 ?反應(yīng)裝置制作方式

        (1)針筒去除活塞,下側(cè)部位用手電鉆打孔,用砂紙將打孔四周位置打磨粗糙;

        (2)單向閥進(jìn)水口向內(nèi)深入針筒,并用熱熔膠粘貼在針筒璧上;

        (3)針筒中偏上部位用手電鉆打孔,將熱電偶溫度計探頭深入內(nèi)部,用熱熔膠密封粘牢;

        (4)針筒朝上放置,底部打好熱熔膠后粘貼在塑料板上,打上足夠的熱熔膠做好密封。

        (5)8 cm注射液軟管(直徑2 mm)插入針筒頭上。

        2 ?教學(xué)用途與用法

        2.1 ?分子間隙間存在間隙實驗

        (1)熱電偶溫度計顯示模塊與探頭連接線連接完整;

        (2)用30 cm注射液軟管連接另外一個針筒注射口,裝置下方用水槽接住溢出的水,防止桌面打濕;

        (3)用針筒從單向閥往反應(yīng)裝置內(nèi)部注入滴加紅墨水的水,直至反應(yīng)裝置注滿水,記錄此時溫度15.3℃(如圖5).

        (4)取下針筒,吸取50 ml的酒精迅速通過單向閥添加至反應(yīng)裝置中,并記錄此時溫度19.1℃。將裝置靜置1 min,可看到針筒內(nèi)部液面緩慢下降7 cm。(如圖6)

        (5)實驗完成,將裝置倒置,針筒往里面注入空氣,排出液體。

        2.2 ?拓展用途——氣體做功內(nèi)能變化實驗

        (1)熱電偶溫度計顯示模塊與探頭連接線連接完整,取下8 cm注射液軟管;

        (2)用30 cm注射液軟管連接另外一個針筒注射口;

        (3)用另一針筒從單向閥內(nèi)部加入5 ml酒精;

        (4)連接好兩個針筒,用手堵住反應(yīng)裝置針筒口,用力推動另一針筒活塞,可看到溫度從20.7℃(如圖7)升高到24.3℃(如圖8),放開手指,氣體對外做功,溫度下降置20.3℃(如圖9)。

        3 ?科學(xué)原理

        分子間存在間隙,兩種液體混合后,互相彼此進(jìn)入對方,總體積會變小。對氣體做功內(nèi)能變化、溫度變化。

        4 ?改進(jìn)點和創(chuàng)新點

        (1)提升教具的直觀性,可觀察液面下降范圍大,全體學(xué)生在各個角落都可看見。

        (2)可直接顯示水和酒精混合后溫度升高,提高實驗現(xiàn)象的完整性,擴寬學(xué)生的視野。

        (3)實驗演示更為客觀,提高實驗的精密性。

        (4)一個裝置多個用途,可演示氣體做功內(nèi)能變化,效果直觀,操作簡單。

        5 ?使用情況與推廣價值

        本教具在實際教學(xué)中使用,師生一致反映教學(xué)效果良好,全體學(xué)生都可親眼看到體積的變化,自行小結(jié)分子間存在間隙的實驗現(xiàn)象。同時教師利用本教具拍攝教學(xué)微課,供學(xué)生自主學(xué)習(xí),效果良好。

        由于示教效果良好,本教具受到教學(xué)儀器經(jīng)銷商的青睞,筆者與福建天麥教學(xué)設(shè)備有限公司初步達(dá)成合作意向。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 中華人民共和國教育部. 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011 年版)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2011(4).

        [2] 張俠.淺談幾個物理演示實驗的改進(jìn)[J].高中數(shù)理化,2014(18):30-31.

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