基于实验创新的“内能热传递”教学设计

2019-10-09刘沁心

物理教师 2019年8期

刘沁心

(南京师范大学附属中学江宁分校，江苏南京 211102)

1 引言

物理学是一门以观察和实验为主的学科,而实验教学则是物理教学的重要手段．《新课标》要求培养学生的创新能力与实践能力,挖掘物理与生活之间的联系,培养学生学以致用的水平．除了教科书所规定的必做实验,一些具有创新性的非常规物理实验,或一些与时俱进的新型器材,对于部分物理知识的教学也起到了非常有效的作用．若没有这些创新实验,学生对内能的认识仅仅停留在抽象的理论层面,对热传递也仅仅依靠小学科学课上学过的知识.这样的课堂虽然学生都能够顺利完成,达到教学目标,却忽略了学生的体验与个性发展．基于此,教师要创新初中物理实验教学,激发学生的实验兴趣,提升物理实验教学效率．

2 “内能热传递”教学过程

“内能热传递”是在学生完成分子动理论和机械能等物理知识的基础上,学习内能这种全新的能量,并了解改变内能的其中一种方式——热传递．既是前面知识的拓展与延伸,也为后面的学习打下基础．下面笔者通过设计一系列创新实验与探索活动,引导学生学习和理解内能的概念与热传递．

图1 橡皮筋动力小车

2.1 利用两种小车,引入新课

演示实验1:橡皮筋动力小车.

师:不用手推,你可以让图1小车动起来吗?

(演示:转动车轮,使橡皮筋形变,小车动起来.)

师:运动的小车具有什么能?

生:动能．

师:它的动能是由什么能转化而来的?

生:橡皮筋的弹性势能．

图2 外燃机小车

演示实验2:外燃机小车.

师:这个小车的管内只有空气,你可以让它动起来吗?

(演示:酒精灯加热玻璃管,小车动起来，如图2所示.)

师:小车此时的动能必然也是一种能量转化而来的,这种能量是一种与分子热运动有关的能量,也就是我们今天要学习的“内能”．

设计意图:内能是一种十分抽象的能量,课本上直接给出汽油、煤、天然气等燃烧放热,以及物体摩擦发热,释放的都是一种与热运动有关的能量,即内能．笔者认为这样直接指出内能,学生直观体验不够,无法理解这种能量．而通过外燃机小车与橡皮筋动力小车的对比,发现小车的动能必然由一种能量转化而来,加热气缸后才可以有能量转化出来,学生直观体验到此能量与温度及分子热运动的关系,有利于之后学习的铺垫．

2.2 认识内能

2.2.1 内能的定义

师:要认识内能,我们必须回顾分子动理论．分子动理论有哪些内容?

生:分子在永不停息地做无规则运动;分子间有相互作用的引力和斥力;分子间有空隙．

师:类比物体的动能和势能,你觉得分子有动能和势能吗?

生:有,因为分子在运动,所以有动能．

师:我们称之为分子动能．

生:弹簧有相互作用力,物体和地球间也有相互作用力,它们有势能,因为分子间也有相互作用力,所以也有势能．

师:我们称之为分子势能．

师:一个物体动能与势能的总和是机械能,那么一个分子的分子动能和分子势能的总和是什么呢?

生:内能．

师:大家同意他的看法吗?

生:物体内部有大量分子,所以内能应该是物体内所有分子动能与分子势能的总和．

师:大家同意他的观点吗?非常好,这就是内能的概念．

师:汽油、柴油燃烧释放的能量属于内能,摩擦生的热也属于内能．

设计意图:此处主要是类比物体的动能与势能,引导学生思考分子有动能和势能吗,进而得出内能的概念．需注意的是,研究单个分子的分子动能和与分子势能和是没有意义的,教学时应强调此点．

2.2.2 哪些物体有内能

(投影图片3:地面上运动的外燃机小车.)

师:此时管内的空气有内能吗?为什么?

生:有内能转化为小车机械能．

(投影图片4:地面上静止的外燃机小车.)

师:现在管内的空气有没有内能?为什么?

图3 点火加热的外燃机小车

图4 静止的外燃机小车

生:有,空气分子在永不停息地运动,所以此时空气有内能．

设计意图:学生很容易认为只有加热后的、温度高的物体才具有内能,此时必须通过实例深化理解内能的概念,只要分子运动不停止,内能就一直存在,通过图3与图4同一辆小车不同状态下的对比,很好地形成了认知冲突．

演示实验3:温差发电灯泡.

图5 加热一端后亮起的温差发电灯泡

(演示:加热温差发电灯泡后灯泡亮起,如图5.)

师:加热后的金属有内能吗?为什么?

生:因为其转化为灯泡的电能．

师:冷的金属有没有内能?

(演示:冷水泡加热端,使灯熄灭)

师:此时,没有内能再转化为灯泡的电能了．现在,我让金属的另一端变冷,有多冷?-78 ℃．

图6 冷却一端后亮起的温差发电灯泡

(演示:金属另一端放干冰,灯泡再次亮起,如图6.)

师:灯亮了,这说明什么?

生:冷的金属有内能．

师:为什么-78 ℃的金属也有内能呢?

生:因为此时金属分子也在运动．

师:其实,这套装置是利用温差发电的原理,只要两端金属间存在足够的温度差,金属的内能就能被转化利用起来．

师:所以,你觉得什么物体有内能?为什么?

生:一切物体,因为一切物体的分子都在永不停息地无规则运动．

师:一切物体都有内能,那是不是一切物体都有机械能?

生:一切物体都有内能,但不是所有物体都有机械能．只有正在运动或被举高或发生弹性形变的物体才具有机械能．

设计意图:课本以及大多数教师在这块的处理方式仅仅是展示出一张冰山的图片,让学生通过任何物体的分子都在永不停息地运动推理出:无论温度高低物体都有内能,缺乏真实体验,甚至心中可能还存有疑惑．此处笔者创新性地使用温差发电小灯泡,巧妙地利用该装置只要两端金属间存在足够的温度差,金属的内能就能被转化利用起来．学生在观察到加热后灯泡亮并不惊讶,他们已经形成思维惯性,只要加热,金属的内能就可以转化成灯泡的电能．但是接下来的实验让他们形成了激烈的认知冲突:金属一端加-78 ℃的干冰,金属的内能仍然能转化出来．现象清楚,疑惑解除,概念加深．

2.2.3 内能大小与温度的关系

(投影图片:地面上运动的外燃机小车.)

师:空气本身有内能,可是加热后空气的内能才转化为小车的机械能,这又说明什么?

生:内能大小与温度有关．温度越高,内能越大．

师:温度会影响内能吗?又是如何影响的呢?

设计意图:此处再次利用外燃机小车引出内能与温度的关系,承上启下．

分组实验1:观察扩散快慢与温度的关系.