做功改变物体内能实验的创新思考及实践

丘嘉东

摘 要：在人教版九年级物理教材中，关于《内能》的实验教学引入了相应的实验来验证“做功改变物体内能”，在教学中发现，虽然教材中的实验操作简单，但是相应的实验现象并不是特别明显，缺乏说服力。对此，本文就“做功改变物体内能”的相关实验进行了改进和创新，希望能够更加直接地将做功与物体内能之间的关系呈现出来，加深同学们对于相关知识的理解和认知。

关键词：做功改变物体内能实验 创新 实践

引言

任何物体中都有内能的存在，想要对物体的内能进行改变，一般有两种方式，一是做功，二是热传递。从现实生活中的很多现象，都可以看出热传递对于物体内能的改变，而做功改变物体内能因为现象不够明显直观，很多时候并不能被学生理解和接受。面对这样的问题，如何通过相应的实验，证明做功可以改变物体内能，是相关知识学习中需要重点考虑的问题。

一、教材实验

高中物理教材中，提到物體内能的地方不少，很多同学在学习中往往对于内能这种看不到摸不着的概念感到茫然不知所措，很容易将其与机械能混淆，也无法准确掌握内能与热能的关系。对此，可以回归初中教材中关于内能的相关知识，以“做功改变物体内能”实验，来对内能的相关知识进行复习巩固。

人教版九年级物理课本中，第十三章第二节《内能》教学中，为了加深学生对于相关知识的理解和认知，设计了“做功改变物体内能”的相关实验，实验设施如图1所示。

图1（a）为“空气引燃仪”实验，在厚壁玻璃筒内，设置一团硝化棉，通过下压活塞的方式，增加管体内空气的内能，硝化棉会随之燃烧；图2（b）为“压缩空气对瓶塞做功”实验，在烧瓶内放入适量水，通过活塞来向瓶内充入空气，当上部瓶塞跳出后，可以看到烧瓶内出现了白色雾气，表明气体膨胀后，内能减少，瓶内温度下降使得水蒸汽液化成了水滴。

这样的实验设备和操作都非常简单，也可以看到较为明显的实验现象，但是在课堂操作中也存在不少问题：“空气引燃仪”实验即便是一些有经验的老教师也无法确保每次都成功，而且实验存在一定的危险性；“压缩空气对瓶塞做功”实验主要体现的是气体对外做功，内能的减少会造成温度下降，但是仅仅通过瓶内的白雾并不能直观显示出内能减少，可信度相对较低。如何对相应的实验进行改进创新，在保证实验操作安全性的前提下，使得其效果更加明显，以促进学习质量的提高[1]。

二、创新实验

考虑教材中提到的两个实验在前半段存在很大的相似性，将两者合并成一个实验，通过实验装置和实验方法的创新来提升实验效果。

1.实验装置创新

利用化学实验中比较常见的葫芦状球形容器，配备相应的导气管以及橡胶塞（2个）、打孔器（1个），数字式电子温度计，打气筒、橡胶管，酒精以及少量水作为创新实验的器材。将葫芦状球形容器放置在水平桌面上，确保其稳定，在橡胶塞中间打孔，以电子温度器探头导线穿过孔洞，外露部分的长度为3cm左右，需要利用蜡进行密封。将容器下球孔盖子取下，在下球侧壁孔塞入刚刚处理过的橡胶塞，为了避免实验过程中探头导线脱落，以橡皮筋将其固定在开口位置，导线另一侧连接数字式电子温度计。利用细线拴住另一个橡胶塞，将线的另一头固定在容器细腰部分，然后将橡胶塞压入容器正上方孔内，注意不要压的过紧。利用橡胶管一端连接容器上球侧孔导气管，在这里需要注意，如果采用的是新式容器，因为容器本身设置有相应的玻璃导气管，可以实现与橡胶管的直连；如果采用的是旧式容器，设置的并非玻璃导气管而是侧孔，需要增加胶塞与玻璃弯管，形成相应的导气管后，才能与橡胶管进行连接。橡胶管的另一头连接打气筒，为了保证连接的牢固性，可以利用细线对连接位置进行固定，使用的橡胶管长度约在60cm左右，实验装置如图2所示。

2.实验方法创新

在完成实验装置的组装后，教师就可以进行相应的实验操作了。首先需要在容器内部加入少量水和酒精，水的容量在10-15ml左右，酒精则只需2-3滴，加入酒精的目的，是利用酒精本身的挥发性，确保在实验过程中，能够呈现出更加明显的雾化现象，提升实验的可信度。打开数字式温度计，对温度计显示的温度数值进行记录，填写到实验记录表格（见表1）的“初始温度”栏[2]。

利用打气筒，经橡胶管向容器内打入气体，同时观察温度计显示数值的变化，会发现，伴随着气体的持续充入，温度计上显示的数值会逐渐上升。继续打气直到橡胶塞被容器内膨胀的气体冲开，温度计数值达到最大值，而且超过室内温度，在实验记录表中，将相关数值记录在“打气过程中的最高温度”一栏。在橡皮塞被冲开的瞬间进行观察，会发现容器口和容器内部出现了大量白色雾气，且此时温度计的读数会开始逐渐下降，达到最低值，这时瓶内的温度会对于室内温度，在实验记录表中，将相关数值记录在“瓶塞喷出后的最低温度”一栏。实验到此并没有结束，等到温度计显示的数值逐渐回到室温后，还应该重复上述实验步骤5次，对每一次实验的相关数据进行记录，最后取平均值作为实验结果，以此来保证实验的有效性和可信度。

举例说明：在压紧橡胶塞后，温度计显示的温度是26.0℃，这个温度为初始温度，打气两次后，温度数值上升，显示为26.6℃，再打气两次，温度上升到27.0℃，继续打气一次，瓶塞喷出，温度计呈现出的温度达到最高值，为27.2℃，记录为最高温度。瓶塞喷出后，瓶内温度降低，温度计读数为24.3℃，记录为最低温度，等待十几秒后，温度回归到初始26.0℃。当然，这里的打气次数并不固定，如果橡胶塞塞得比较紧，可能需要多打几次，反之则会少打几次。

实验结束后，取下连接在容器上的橡胶塞和橡胶管，然后倒出容器内的溶液，对其进行清洗，并关闭数字式电子温度计，将电池取出。

对比教材中的实验，改进后的实验安全性更强，现象更加明显，同学们自主进行实验，老师从旁指导。而且数字式温度计的使用，使得做功对于内能的改变能够通过温度数值的变化更加直观的体现展示出来，推动了实验结果从定性到定量的转变，有着良好的效果。

三、再次创新

上述改进实验在实践教学中取得了较好的反响，不过也出现了一定的不足，即实验装置并不能切实保证做功气体的质量固定不变，因此可能会存在一定误差。分析问题产生的原因，主要是打气筒每次打气都会向容器内注入新的气体，这样会导致内部气体质量的改变，基于此，利用注射器取代了打气筒，其他部分保持不变，这样能够避免容器内气体质量固定，但是又引发的新的气体，即注射器本身有限的容积仅仅能够对气体进行轻微压缩，即便将其推到底，温度计的读数变化也很小，仅有0.2℃，这样的做功并不足以推动橡胶塞，更不可能在容器内形成白雾，即便更换大容积注射器，同样无法呈现出明显的实验效果[3]。

在上述方式行不通的情况下，从缩小容器容积的角度着眼，将葫芦状容器更换成了“U型试管”，保持其他部分不变，能够满足实验需求。在实践中发现，这种改进同样存在不足，一是装置本身无法直立，在橡胶塞横向喷出的情况下，内部现象不明显；二是试管壁相对脆弱，实验中可能出现破碎，安全性无法保证。

对此，继续沿用之前的思路进行实验改进，利用密封胶空桶配合相应的填缝枪来取代之前的打气筒，保持其他部分不變，构建相应的实验装置（见图3）。

实验装置组装完成后，依照之前的实验步骤，在容器内加入水和酒精，设置好数字式温度计，做好温度记录。然后将橡胶塞2取下，拉出填缝枪的顶杆，再压紧橡胶塞，扣动扳手可以推动顶杆前进，对内部空气进行压缩。在这个过程中，需要时刻关注温度计数值的变化情况，在密封良好的情况下，温度计显示的数值会逐渐上升，通过连续扣动扳手的方式，可以实现对容器内气体体积的持续压缩，直至橡胶塞被顶出，此时温度计示数达到最大值。橡胶塞被顶出的瞬间，观察瓶内和瓶口，白雾清晰可见，温度计数值开始下降，达到最低值。同样，为保证实验结果合理，等到温度计显示的数值逐渐回到室温后，还应该重复上述实验步骤5次，对每一次实验的相关数据进行记录，最后取平均值作为实验结果，以此来保证实验的有效性和可信度。

举例说明：压紧橡胶塞2后，温度计显示的温度是26.0℃，这个温度为初始温度，扣动扳手两次，温度数值上升，显示为26.6℃，再扣动扳手两次，温度上升到27.0℃，继续扣动一次，瓶塞喷出，温度计呈现出的温度达到最高值，为27.2℃，记录为最高温度。瓶塞喷出后，瓶内温度降低，温度计读数为24.3℃，记录为最低温度，等待十几秒后，温度回归到初始26.0℃。

实验结束后，依照上述流程，对实验装置进行处理。

相比较之前的实验，再次改进后，实验装置能够切实保证做功气体的质量固定，实验结果更加严谨，而且气体压缩更加简单，操作更加方便，可以对每一次压缩的气体量进行控制[4]。

结语

总而言之，内能是初中物理教学中一个非常重要的组成部分，但是其本身的知识较为抽象，理解和学习都存在一定的难度。针对教材中“做功改变物体内能”的相关实验进行了改进和创新，通过更加安全、更加严谨的实验步骤和更加合理的实验结果，能够帮助同学们更好地理解相关知识，保证学习效果。

参考文献

[1]杨新宇，汪洋.关于“做功改变物体内能的实验”的改进与创新[J].中学物理：初中版，2017，35（9）：27.

[2]刘立华，李洪清.做功改变物体内能的实验改进[J].物理通报，2015，（5）：76-77.

[3]赵兴华，做功改变气体内能实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2014，31（z1）：65-66.

[4]张有建，李凤娇.做功改变物体内能实验仪器的改进[J].中学物理，2018，（8）：24-25.