“做功改变物体内能”的实验装置

浙江省北仑中学 张皓洋

华东师范大学出版社出版的九年级上册《科学》中，“物体的内能”这一节有两个实验，分别是“压缩空气发热”和“蒸汽对外做功”。前者说明外界对气体做功，气体内能增加，后者说明气体对外做功，气体内能减少。

有的老师在演示“压缩空气发热”实验时，因操作不当导致厚壁玻璃筒爆炸破裂，造成伤人事故。演示“蒸汽对外做功”实验时，如果外界温度较低，水沸腾后产生的高温水蒸气在试管口遇冷液化会出现水雾，不能很好地说明气体内能减小是由气体对外做功引起的。

为了克服上述缺点，我整合了上述两个实验，设计了“做功改变物体内能”的实验装置，通过该实验的直观演示，得出“外界对气体做功，气体内能增加”和“气体对外做功，气体内能减少”。实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

一、实验原理

本实验运用创新技法中的组合法，把“压缩空气发热”和“蒸汽对外做功”实验巧妙地组合在同一个实验中。

关闭阀门，对针筒中的气体进行压缩做功，气体内能增加，探针温度计示数上升，进而说明压缩空气做功，内能增加；打开阀门，压缩的高压气体冲出，推动小叶轮转动，探针温度计示数降低，进而说明气体对外做功，内能减少。

针筒内的气体被压缩到一定程度后，想要继续压缩就需要较大的力，且固定活塞较难，于是我把玻璃胶枪用在了本装置中。

二、材料准备

玻璃胶枪，塑料大针筒，酸式滴定管，探针温度计，卡纸，铁丝，木板，螺丝钉，玻璃胶等。

三、装置制作

1.针筒前端用玻璃胶连接酸式滴定管，该酸式滴定管上装有阀门。

2.玻璃胶枪的推进器通过螺丝钉固定在针筒活塞上。

3.针筒通过螺丝钉固定于玻璃胶枪内。

4.在针筒的前端上方开一个小孔，插入探针温度计，并用玻璃胶密封。

5.将玻璃胶枪固定在支架上，支架固定在底板上。

6.将酸式滴定管的管口对准用瓶塞和卡纸制作的小叶轮，小叶轮以铁丝为轴，被固定在底板上。

四、使用方法

1.关闭玻璃阀门，读出探针温度计的示数。

2.用手按压玻璃胶枪，活塞压缩空气做功，探针温度计的示数不断增大。待示数稳定，读出探针温度计的示数。

3.打开阀门，冲出的高压气体对小叶轮做功，使小叶轮转动。探针温度计的示数不断减小，待示数稳定，读出探针温度计的示数。

五、设计特色

1.装置所用的探针温度计、针筒等容易购买，并且价格便宜。废弃的玻璃胶枪、卡纸被重新利用，节约环保。

2.该装置运用了玻璃胶枪，针筒内的气体被压缩到一定程度后继续压缩需要较大的力，玻璃胶枪利用机械省力的原理压缩空气，并把受到压缩空气反作用力的活塞固定。

3.改进后的实验操作简单，只需轻轻按压玻璃胶枪以及调节阀门即可。探针温度计的示数一目了然地反映出气体的温度变化，冲出的气体做功使小叶轮转动，实验现象明显。

4.经过改进的实验安全、成功率高，且可以多次重复演示，实用性强。