关于“做功改变物体内能的实验”的改进和创新

杨新宇+汪洋

摘 要：通过对实验方案和实验仪器的改良和创新，将“对气体做功气体内能增加”和“气体对外做功气体内能减少”这两个实验对比呈现.对比实验现象明显，数字温度计指示的瓶内气体温度变化明显，可以有效的说明“对气体做功，气体内能增加”和“气体对外做功，气体内能减少”的实验结论.实验过程可以有效的培养学生的实验观察能力和分析能力.

关键词：做功；内能改变；实验改进

物体内所有分子的动能和分子间相互作用的势能的总和，叫做物体的内能.内能是储存在物体内部的能量.如何改变物体的内能，以及用明显的实验现象展示内能的变化是中学物理的难点.为了有效的帮助学生突破学习难点，建立好“做功可以改变物体内能”的知识点，从实验的定性分析和定量呈现两个角度进行改良和创新.

实验改进一： “空气压缩仪”实验，如图1所示.

传统的实验方案是：往空气压缩仪里面加注乙醚和棉花，然后迅速下压活塞，观察棉花是否燃烧.

这一传统实验存在的缺陷是：与操作者的经验有关系，看似简单，但是在实际演示过程中，有许多老师并不能确保实验成功.乙醚的着火点是160℃，棉花的着火点是150℃.乙醚的爆炸界限是：爆炸下限（%）1.9，爆炸上限（%）36.0.在低于爆炸下限和高于爆炸上限浓度时，既不爆炸，也不着火.这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故.而教师为了希望实验成功，往压缩仪里注入比较多的乙醚，导致超出爆炸上限，实验不能成功.

實验改进方案：往空气压缩仪里装火柴头碎末，然后迅速下压活塞，观察火柴头碎末是否燃烧.这一实验的优点是：火柴头上主要含有氯酸钾、二氧化锰、硫磺和玻璃粉等，实验过程安全，并且实验现象明显，只要往空气压缩仪中放入两根火柴头的药量，实验都是成功的，避免因为爆炸界限造成的实验失败.

实验改进二：将“对气体做功气体内能增加和气体对外做功内能减少”这两个实验对比呈现.

“空气压缩仪”实验可以得出对气体做功，气体被压缩，气体的内能增加这一结论.但是对于气体膨胀对外做功，气体内能减少这一实验结论不能得出，教材中也没有这样的一个实验来辅助教学.为了帮助学生突破难点，从定性和直观的角度认识“对气体做功”和“气体对外做功”两个过程中气体的内能如何变化，物理组自制了一个实验装置来辅助完成这个实验.

关于实验仪器的说明：如图2所示.实验装置介绍：踩踏式打气筒；一个1.5L的矿泉水瓶，安装在竖直面板上；在瓶盖处安装有气门芯，它能使气体进得去出不来；瓶盖用绳子与瓶身相连起到保护作用；在瓶的侧壁上放入一个感温探头，用玻璃胶密封，感温探头连接数字温度计，温度计可时时显示瓶内气体温度的变化，也反应瓶内气体内能的变化；为了加强实验的效果，事先放入几滴酒精.

实验过程介绍：将打气筒与气门芯相连，向瓶内打气，观察数字温度计的示数，温度计的示数在逐步的升高.将打气筒拆下，轻轻旋开瓶盖，请大家注意观察有什么现象，同时请注意实验有一定的危险性.在听到“砰”的一声，可以清楚的看到温度计示数快速下降，瓶里充满了白雾，说明气体推动瓶盖对外做功时气体的内能减小.

实验结论：（1）在往矿泉水瓶里打气时，温度计的示数在逐步的升高这个实验说明压缩气体做功，气体的内能会增加.（2）高压气体将瓶盖推开，听到“砰”的一声，同时瓶内出现白雾，温度计示数降低.说明酒精气体发生了液化，瓶内温度在急剧下降，说明气体推动瓶盖对外做功时气体的内能减小.

实验方案的优点：（1）将两个不同的实验方向用同一装置对比完成，并且实验过程是前后串接联系的.（2）实验操作简单，实验现象明显.（3）实验装置的组建成本低廉，并且有利于环保（选用1.5L的矿泉水瓶），可以适合在任何地域推广.

实验的缺陷：气体将瓶盖推开对外做功的过程中，会产生剧烈的“砰”的巨响，会惊吓到学生（需要在实验前提醒观察者），会产生比较大的噪声，给人带来不舒适的感觉；同时还有可能高压气体在重开瓶盖的时候会将联系瓶盖与瓶身的细线扯断，瓶盖可能会伤害到人（从我们N次实验来看，还没有发生过这种状况.）

在实验创新的道路上是永无止尽的，只要大家用心思考用心设计，都是可以找到更加的实验途径，打造良好的实验方案，呈现正确的明显的实验现象，为学生呈现优质的实验大餐.

参考文献：

[1]本书编写组.义务教育教科书 物理九年级上册[M].北京：教育科学出版社，2013：7-10 .