自制实验装置突破“内能”教学难点

2020-02-02郑克东何季军

中学物理·初中 2020年1期

关键词：内能实验活动

郑克东何季军

摘要：利用实验室现有器材，自制实验装置，在观察气体做功的现象时，通过引导帮助学生建立内能概念，操作方便，教学效果好.

关键词：内能;热传递;实验;活动

文章编号：1008-4134（2020）02-0027 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：郑克东（1978-），男，江苏如东人，本科，中小学高级教师，如东县教师发展中心研训员，研究方向：物理课程建设、教材教法、实验创新研究;

何季军（1971-），男，江苏南通人，本科，中小学高级教师，研究方向：初中物理教育教学.

1 问题提出

苏科版初中物理教材第12章第2节 “内能”的新课教学引入分三步，第一步是用如图1所示的对话激活学生的问题意识，揭示课题;第二步通过描述的方式引出“汽油、煤、天然气等燃烧放热，以及物体摩擦放热，释放的都是一种与热运动有关的能量，这种能量叫作内能”;第三步用类比机械能的方法，得出内能的概念：物体内所有分子的动能和分子势能的总和.

内能是物体内部的能量形式，它抽象不具体，所以“如何让学生认识到内能的存在？”是建立内能概念的关键问题.而“如何让学生认识热传递改变的是物体的内能？”“热量是内能改变过程中转移能量的多少？”则是学生理解内能、建立热量认知的难点.

2 问题分析

认识内能存在的方法有两种：一是转化法，即通过把内能转化为其他形式的能，比如内能转化为电能，内能转化为机械能等等;二是溯本求源，结合能量概念理解，即依据“一个物体能够对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量”，以及分子动理论，引导分析理解.实际教学中，很多教师会借助一个实验帮助学生建立起内能.有的用热电偶，通过两杯有温差的水使灯泡发光，说明内能的存在;有的用矿泉水瓶，在矿泉水瓶内放入少许的酒精，通过扭矿泉水瓶身做功，拧松瓶盖时的爆破声及白雾，说明内能的存在.这些实验现象往往能带给学生较大的视觉震撼，可是现实的课堂教学测试告诉我们，学生对于“内能是什么”还是比较茫然的.通过学情调研与认知分析可以发现，主要原因是学生认识能量，依据的是“一个物体能够对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量”，而上述的实验过程，有两点让学生纠结：一是谁对谁做了功，比如热电偶是水做功还是其他;扭矿泉水瓶，体现内能的过程是手扭矿泉水瓶做功呢，还是矿泉水瓶内气体对瓶盖做功呢？正是这些困惑，混淆了学生思维.

3 实验设计与使用

3.1 装置制作

器材准备：250mL锥形瓶、数显温度计（范围：-50℃～70℃，误差：±1℃，分辨率：0.1℃，工作电压：1.5V）、液体压强计用的U型管、气管夹、乳胶管、液体压强计用的T型三通导气管、橡皮塞、30cm×5cm木板1块、8cm×5cm木板1块、热熔胶、螺丝钉2个、红墨水、清水等.

制作过程：（1）制作内能感知端.在橡皮上打一个直径为5mm的圆孔，同时插入T型三通导气管和数显温度计的探头，调整探头的高度，使探头与锥形瓶的内壁不接触，处于锥形瓶的中间，再用热熔胶将孔隙填满，并把温度计的显示屏固定在三通管的前面;

（2）内能变化显示器.以8cm×5cm木板为底座、30cm×5cm木板为U型管背景板，将两块木板按T字对接，用两颗螺丝钉固定;再将U型管用卡子固定在背景板上.再在清水中滴入少许红墨水，搅匀后将少许染色注入U型管内;

（3）组装（如图2所示）.将内能感知端，插入锥形瓶，再用乳胶管连接U型管的一端与三通导气管的一端，调节U型两管液面齐平，再用气管夹夹住通气口的乳胶管.

3.2 教学使用

3.2.1 引入内能的概念

首先，将锥形瓶置于加热杯垫（220V 30W）上，教师描述“同学们，老师能够意念移物，请看！”接着，通过遥控插座的开关使加热杯垫加热锥形瓶约20s，可以看到温度计显示屏上的温度示数在上升，U型管中两管出现明显的高度差，随着时间的推移，液柱在U型管开口的那支管中被推升.学生观察后，教师可用问题串引导学生认识内能的存在：让液柱移动的施力物体是谁（瓶内气体）？它对水柱做功了吗（做功了）？说明了什么（瓶内气体有能量）？再通过感知、观察分子扩散与温度的实验引入内能的概念.

3.2.2 建立“热传递”“热量”的概念

在讨论出内能与质量、温度等因素的关系后，可用该装置设计一个开放性的探究活动：“增加瓶内气体的内能”.围绕装置，活动从讨论两个问题开始，一是观察什么现象知道内能增加了？二是有哪些方法可以增加瓶内气体的内能？然后归纳增加瓶內气体内能的方法（火烧、热水烫）的共同点是“接触了不同温度的物体而改变内能”.再通过追问“增加的内能从哪里来？”引出“热传递”的概念，结合学生所举实例分析热传递的实质，得出热量是“热传递过程中转移的能量”.

3.2.3 巩固“内能”“热传递”的理解

课堂总结阶段，首先是揭秘课堂引入时，实际在锥形瓶的底部有一个加热杯垫，让学生解释其中的原理.然后，关闭加热杯垫，打开气管夹，锥形瓶内的气体喷出，温度计的显示屏示数下降，U型管右侧的液柱下降，并且会出现左侧液柱上升，再下降直到两侧液面相平.最后，将锥形瓶放入冰水中，观察温度计示数及液柱的升降，再次说明外界常温的空气是有内能的，平时表现不出来，是因为没有温度差.

3.3 实验原理

加热时，加热杯垫将能量传递给锥形瓶，再传递给瓶内气体，瓶内气体温度升高，压强增大，推动U型管内的液柱做功.

放气时，瓶内气体对外做功，内能减少温度降低，同时瓶外空气对U型管内液柱做功，液柱下降，最后从导气管进入的空气再对液柱做功，直至两侧液面相平.

放入冰水中时，瓶内气体温度降低，压强降低，瓶外空气对U型管内的液柱做功，液柱回流，说明常温下的气体是有能量的.

3.4 注意事项

使用前，应打开气管夹，用挤压乳胶管的方法，使U型管左右两侧的液面相平;使用时，加热速度不宜过快，防止管内液柱会冲出管外;不使用时，为防止液柱溢出或回流进锥形瓶，要打开气管夹，直至两侧液面相平后，再夹上.

3.5 实验评估

可以集中学生的观察视线.将加热杯垫隐藏于底板中，可以排除干扰，让学生将观察视线集中在瓶内气体上，能够很快地切入教学主题.

制作材料易获得，组装简单.本装置所用器材易于获得，如锥形瓶、U型管、橡皮塞、三通导气管以及乳胶管等大多数是来自实验室的现有器材，只有数字式温度计需要购买，其成本只有几元钱.各部分组装方便，只需要简单对接即可.

能够直观地看到气体做功的现象.该装置基于学生已学概念，由于液柱自身重力的影响，可以减缓气体推动液柱做功的过程，便于观察现象，理解内能的存在，认识内能的改变.

有助将内能相关知识块进行串接.通过该装置，在观察“谁对液柱做了功”中认识“内能的存在”、在“增加瓶内气体的内能”的探究中应用“影响内能大小的因素”、在寻找增加内能方法的共同点中认识“热传递”及“热量”，将四个知识块进行了有效串接.

初中物理，不少概念比较抽象，我们应该根据不同的主题，开发合适的实验，想办法让学生在“做一做”“看一看”“想一想”的活动中体验，在体验中激活原有认知，建构新知.开发的实验应该选材简单、与教学内容相适应、现象直观，而且能够一个实验分层次多次使用，更好地为学生的理解助力.