机械能转化为内能教学实验装置的研究与设计

柳延东

(贺州学院,广西 贺州 542899)

机械能转化为内能教学实验装置的研究与设计

柳延东

(贺州学院,广西 贺州 542899)

实验是物理科学的基础。由于受各种条件的限制,物理教学经常会遇到实验器材不足或实验可操作性差等各种困难。具有自主知识产权的“机械能转化为内能教学实验装置”根据传统的“机械能转化为内能”实验的原理和该实验的要求和目的设计而成,不但实验装置结构简单、操作安全、便捷、效果明显,而且便于演示和观察,可以在一定程度上提高实验教学的效果。

物理实验;机械能;内能

1 引 言

物理学是一门以实验为基础的实验科学。实验是物理学的基础,假说和理论是人们的思维对自然规律的反映,作为检验这种反映正确与否的标准不能是理论本身也不能是客观对象本身,因为客观对象并不能证明理论与对象是否一致,所以,只有物理实验才有把人的思维同客观世界联系在一起的特殊条件。通过物理实验可以发现物理规律或发现某种不为人知的现象[1]64。在物理教学中,实验具有非常重要的作用和地位,实验教学在培养学生观察能力、分析能力、发现问题,解决问题能力及培养学生形成科学研究方法,树立理论联系实际的理念等方面具有其它教学方法不可替代的作用。可以说在物理教学中,理论与实验同样重要,理论是实验的指导,实验是理论的基础。随着社会对应用型人才需求的增加,特别是教育部发布了《基础教育课程改革纲要(试行)》以来,教学尤其是物理教学在强调对知识的宽泛理解基础上,更为重视对学生科学探究与实验能力的培养[2]2。实验在教学中的地位和作用也越来越引起人们的重视。可是在实际教学中我们还是不得不承认,在许多学校,物理实验教学的实际情况并不乐观,在日常教学中,物理实验经常会遇到一些这样或那样的问题,这些问题常常使教师主动或被动放弃实验。总结导致教师主动或被动放弃实验的原因经常有:一是实验有时具有一定的危险性,教师不敢进行实验;再有就是实验操作复杂且效果不明显,实验成功率过低,教师不愿进行实验。本文所探讨的“机械能转化为内能教学实验装置”[3]是针对目前广泛使用的教材中必须开设的“机械能转化为内能”物理实验课程的实验装置的改进,这个改进的“机械能转化为内能教学实验装置”不需要什么特殊的装置,所采用的材料、部件都是很容易找到或是很容易制作的,所采用的技术是很普及的普通技术,改进后的实验装置结构简单、操作安全、便捷、效果明显,便于演示和观察,可以在一定程度上提高实验教学的效果。

下面对“机械能转化为内能教学实验装置”的设计思路和工作原理进行简要说明,以期能够给相关人士带来一点启示。

2 “机械能转化为内能教学实验装置”背景技术

机械能转换为内能、内能转换为机械能是中学物理必须讲授的重点教学内容之一。为了使学生更好的理解这部分知识,各种版本的中学物理教材都设有相关的实验,传统的物理教学中,机械能转换为内能实验多是用压缩空气引火仪来做演示。实验的一般方法是:将浸过乙醚的棉花放入引火仪汽缸内,然用迅速压下压缩空气引火仪的活塞压缩汽缸内部气体,对气体做功,在压力的作用下汽缸内部气体温度升高,达到乙醚的燃点,棉花球就会燃烧。本实验虽然比较直观地展现了机械能转换为内能的过程,但是由于实验过程过于复杂,实验难度大,受多种因素的影响成功率低。利用压缩空气引火仪进行演示的种种困难困惑了不少人。针对这种情况笔者设计了这个“机械能转化为内能教学实验装置”,这个装置将电子技术与机械技术结合起来,整个实验装置结构简单、操作安全、方便、效果明显直观,便于演示和观察,而且实验过程中不需要任何消耗性材料可无限制重现整个演示过程,可以在一定程度上提高实验教学的效果。

3 “机械能转化为内能教学实验装置”的研究与设计

3.1 “机械能转化为内能教学实验装置”设计需求分析

传统的机械能转化为内能教学实验的以下几个方面需要改进:一是实验装置操作复杂,多种因素都可能引起实验失败。传统的机械能转换为内能实验多是用压缩空气引火仪来进行的,这个实验中,压缩空气引火仪一般要进行多次压缩后汽缸中的压力才能引起易燃物(浸过乙醚的棉花或硝化纤维等)的明显燃烧,但由于前面几次压缩时虽然由于汽缸内有压强不够大,没能引起汽缸内易燃物的明显燃烧,但这种不明显的燃烧有时也会消耗掉汽缸中原有的大部分氧气,所以即使压缩再多次,压缩的力量再大也可能导致演示无法成功,并且如果操作不规范还可能因活塞与汽缸密闭性不好而导致汽缸内的压力无法升高到易燃物(浸过乙醚的棉花或硝化纤维等)的燃点,易燃物不能被压燃,导致实验无法成功完成。而且根据教学进度安排,一般讲到这一节内容时,基本进入了冬季,天气已经转冷,由于环境温度低导致压缩空气引火仪内温度同样很低,要想达到乙醚的燃点需要更多的热量,这就进一步加大了这个实验的难度,因此这时做这个实验其成功率就更低了;二是实验产生的现象不明显,实验现象重复出现能力不强,本实验中放置到汽缸内的易燃物数量是否适当直接影响实验演示效果。乙醚多了,只能看到气化现象,不能燃烧,并且由于乙醚有一定的毒性,用量过大有导致中毒的危险,也容易引起爆炸;乙醚少了,气化现象都看不明显,更观察不到明显的火焰,演示效果不明显。为了提高实验成功率和实验效果,有些多资料上介绍用硝化纤维代替浸过乙醚的棉花,效果有所改进,但仍然不是很理想,并且由于硝化纤维的制取过程比较复杂,这种实验方案使实验准备工作量进一步加大,而且这个实验重复操作很复杂,一次操作一般只能出现一次演示现象,要想演示现象再次出现必须重复整个实验过程;三是实验所需要的材料不容易获得,本实验中所用的乙醚挥发性强,极易燃烧和爆炸并且有一定的毒性,较小的学校或实验条件较差的学校不易获得这种实验材料,目前一些资料中谈到可以用硝化纤维代替乙醚,但硝化纤维的制备过程较为复杂,其可获得性较乙醚更难;四是实验材料本身具有一定的危险性,传统的实验中所使用的乙醚极易燃烧和爆炸并且具有一定的毒性。

3.2 “机械能转化为内能教学实验装置”设计原理及实现方法分析

笔者在分析传统实验的不足基础上进一步分析本实验的原理并将电子技术各热传导技术结合起来对传统的机械能转化为内能教学实验装置进行了改进。具体设计如下:如图1(机械能转化为内能教学实验装置的操作单元示意图)所示,这个实验装置主要由一个以高强度硼化玻璃为材料制成的“L”型的械能转化为内能操作单元(M1)和一个由惠斯通电桥构成的温度监测显示单元构成。械能转化为内能操作单元的直径较大的圆筒内安装有充气活塞(B),可以通过抽压活塞改变“L”型容器(M1)内部的气压。在直径较小的圆筒内安装有一个约20KΩ的热敏电阻(Rt),温度探测输出端(N1、N2)通过两根导线穿过“L”型容器(M1)的外壁与热敏电阻(Rt)两端连接。图2(机械能转化为内能教学实验装置的温度监测显示单元内部电路图)中电阻(R1、R2)、电位器(R3)、检流计(G)、电源开关(k1)直流电源(P1)及X1、X2端连接的热敏电阻(Rt)组成一个惠斯通电桥,这个惠斯通电桥构成温度监测显示单元。当惠斯通电桥中 X1、X2所连接的热敏电阻(Rt)的阻值发生变化时,检流计的指针将发生较大的摆动[4]。因为热敏电阻(Rt)置于“L”型容器(M1)内部,当(M1)内部气体因压强变化时必然导致内部温度发生变化,这个变化会导致热敏电阻(Rt)的阻值发生较大变化,通过惠斯通电桥的放大作用这个变化会引起检流计(G)的指针将发生较大的摆动,借此可直观的观测到容器(M1)内温度随着内部压强的变化而相应变化。

实验时用力压下活塞(B),压缩容器(M1)内部空气,发现检流计(G)的指针按顺时针向右发生较大偏转,表明容器内温度升高。这表明压下活塞(B),活塞(B)对容器(M1)内部空气做功,容器(M1)内部空气内能增加温度升高。利用这个装置进行“机械能转化为内能”演示实验不需要任何消耗性材料,操作无任何危险,实验过程任可任意重复进行,实验现象直观、明显,可停留和任意重复再现,可在一定程度上提高实验教学的效果。

3.3 “机械能转化为内能教学实验装置”具体制作方法和操作方法

如图1及图2所示,这个“机械能转化为内能教学实验装置”主要由一个以高强度硼化玻璃为材料制成的机械能转化为内能操作单元和一个由惠斯能电桥构成的温度监测显示单元构成。

图1中M1是以高强度硼化玻璃为材料制成的由两个直径不同相互贯通的圆筒构成的“L”型容器,大圆筒的直径约为5cm,圆筒高15cm,小圆筒直径约为2cm,圆筒长10cm。在直径较大的圆筒内安装有充气活塞(B),可以通过抽压活塞(B)减小或增大容器(M1)内部的气压。在直径较小的圆筒内安装有一个20KΩ的热敏电阻(Rt),温度探测输出端(N1、N2)通过两根导线穿过“L”型容器(M1)的外壁与热敏电阻(Rt)两端连接。S1是一个可以可开关的排气阀门用于设定容器(M1)内部的初始气压。

图2中电阻(R1、R2)、电位器(R3)、检流计(G)、电源开关(k1)直流电源(P1)及X1、X2端连接的热敏电阻(Rt)组成一个惠斯通电桥,封装在一个塑料盒中,构成温度监测单元,用于监测显示“L”型容器(M1)内部温度变化。R3是一个100KΩ电位器,用来调节检流计(G)的静态示数。当电桥中X1、X2所连接的热敏电阻(Rt)的阻值发生变化时,检流计(G)的指针将发生较大的摆动,借此表明温度的同步变化。

因为热敏电阻(Rt)置于“L”型容器(M1)内部,当(M1)内部气体因压强变化时必然导致内部温度发生变化,这个变化会导致热敏电阻(Rt)的阻值发生较大变化,通过惠斯通电桥的放大作用这个变化会引起检流计(G)的指针将发生较大的摆动,按本实施例中的电流方向,当容器(M1)内温度升高时热敏电阻Rt温度升高阻值会变大,而当热敏电阻Rt阻值变大时,检流计的指针按顺时针向右发生较大偏转,表示容器(M1)内温度升高,机械能转化为内能,内能增大,反之则表示容器(M1)内温度降低,内能转化为机械能,内能减小。

实验时,将温度监测显示单元的探测输入端(X1、X2)分别连接到机械能转化为内能演示操作单元的温度探测输出端(N1、N2)上,然后打开排气阀门(S1)将活塞(B)提起后再关闭排气阀门(S1),闭合电源开关(K1),调节电位器(R3)使检流计(G)的静态示数指向“0”。然后,用力压下活塞(B),压缩容器(M1)内部空气,活塞(B)对容器(M1)内部空气做功,容器(M1)内部空气内能增加温度升高,热敏电阻(Rt)的阻值将因温度升高而迅速增大,惠斯通电桥的平衡被打破,检流计(G)的指针将按顺时针向右发生较大的摆动,表示容器内温度升高。利用本装置进行机械能转化为内能教学实验不需要任何消耗性材料,整个实验过程可以无限制重复再现,可以使学生更直观真切的观察和理解机械能转化为内能现象,大大提高实验的成功率和实验教学的效果。

该装置结构简单、操作安全方便、效果明显便于演示和观察,可以大大提高实验教学的效果。

本“机械能转化为内能教学实验装置”实施例中热敏电阻(Rt)选用温度系数较高的具有正温度系数(PTC)型,额定电压为6V的20KΩ热敏电阻;R1、R2选用 20KΩ的碳膜电阻,电位器(R3)为100KΩ的小型电位器,检流计(G)选用AC15型直流复射式检流计;直流电源选用6V直流电源,可用四节AA电池串联组成。其它元件无特殊要求。

4 结 论

物理学的形成与发展是以实验为基础的,实验是物理科学的基础,也是物理知识的源泉,物理实验为开拓新理论、新领域奠定基础。加强物理实验教学是物理教学的时代特征,又是提高物理教学质量的先决条件。由于各种原因,在实验教学中难免会遇到这样或那样的困难,但只要我们具备系统坚实的学科理论知识和精深的专业知识并具有较强的动手能力,在教学过程中注意观察、勤于思考、勇于创新,在准确理解各种实验的原理、实验的要求和实验的目的的前提下,创造性的对原的实验方法、实验设备进行改进和完善,就可以设计并制作出原理正确、启发性强、操作方便的实验仪器设备,使实验收到事半功倍的效果,提高教学效果[5]115-117。

[1]李祖瑶.浅谈物理实验的意义[J].河南农业,2010(8).

[2]陈芳桂.中学生物理实验能力的调查与研究[D].成都:四川师范大学,2007.

[3]柳延东.机械能转化为内能教学实验装置[P].中国专利:CN201812407U,2011-04-27.

[4]柳延东.热能转化为机械能教学实验装置[P].中国专利:CN201812408U,2011-04-27.

[5]陈静.浅谈自制高校物理实验教具的方法[J].新余学院学报,2011(6).

The Research and Design of Teaching Experimental Device of Mechanical Energy into Internal Energy Light

LIU Yan-dong
(Hezhou University,Hezhou Guangxi 542899)

Experiments are the basis of physical science.Due to various limitations,in particular the implementation process will always be the lack of laboratory equipment or laboratory difficulties and poor operability.in this article described a“The teaching experimental device of mechanical energy into internal energy”physics experimental device With independent intellectual property rights.This physics experimental device is designed that based on the principles and the requirements and purpose of the traditional“mechanical energy into internal energy”physics experiments.This new type of“mechanical energy into internal energy”teaching experiment device of simple structure,safe,convenient and obvious effect,ease of presentation and observation,to a certain extent,improve the effectiveness of experimental teaching.

Physics experiment;Mechanical energy;Internal energy

G424.31

A

1673-8861(2011)04-0141-04

2011-09-22

柳延东(1967-),男,黑龙江讷河人,贺州学院副教授。主要研究方向:现代教育技术。已申请30余项国家专利,已获国家专利授权20余项。

贺州学院2009年课改课题(课题号:2009J GA44)

[专 利 号]本文中所涉及的“机械能转化为内能教学实验装置”已申请两项国家专利,已获实用新型专利授权(专利号:CN201812407U),另一项发明专利已经受理并初步审查合格(专利申请号:201010508262.0,发明专利申请初步审查合格通知书发文号:2010122900406940)。