巧用转换，利用变色油墨提高热现象实验课堂教学效果

2021-03-21吴敏

物理教学探讨 2021年10期

吴敏

摘要：物理学是一门以实验为基础的科学，物理学概念和规律的建立离不开物理实验。在中学物理实验课堂教学过程中，一些物理实验现象不容易被直接观察到，如气体液化放热现象、外界做功改变物体内能、热传导方向、滑动变阻器接入电路的有效电阻、电源短路电流大小、影响电流热效应的因素等物理实验。此时可以采用转换法观察物理现象，理解物理概念，并总结得出物理规律。文章以上述物理实验课堂教学为例，简述了如何巧用变色油墨让“热”无处遁形，让学生直接观察到明显的实验现象，从而更易理解和掌握相关物理概念和规律，切实提高了课堂教学效果。

关键词：变色油墨;热现象;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2021）10-0068-4

1 变色油墨简介

变色油墨是借助物质特性而变色的一种特种油墨，可用于多种行业。变色油墨可分为感温变色油墨、红外激发变色油墨、紫外线感光变色油墨、紫外荧光变色油墨、光学变色油墨、遇水变色油墨、夜光变色油墨以及微胶囊香味油墨等。笔者实验选用的是感温变色油墨，它利用温度差异来改变自身颜色。图1所示为一款变色陶瓷杯，杯身图案是由感温变色材料做成。杯内没有注入热水时，杯身图案为一副彩色风景照片（图1左图）;向杯内倒入热水后，彩色图案就变成了黑色（图1右图）。

2 利用变色油墨演示热现象实验

2.1 气体液化放热现象

气体液化有两种方式：降低气体温度和压缩气体体积，生活中最常见的方法是第一种。气体液化时要放出热量，如何设计一个实验直观地证明气体液化时会放热呢？在苏科版《物理》八年级上册教材中有一个“观察水蒸气的液化”的实验。将金属盒盖放在烧瓶斜上方，加热烧瓶中的水直至沸腾，产生大量水蒸气。水蒸气在金属盒盖底部凝结成小水珠，说明水蒸气遇冷液化。在金属盒盖上放上冰块，可以观测到冰块熔化，这说明水蒸气遇冷液化的同时也在放热。除了上述方法，我们还可以将变色油墨直接涂抹在金属盒盖底部后晾干[图2（a）]，然后将其放置在烧瓶斜上方。当烧瓶冒出大量水蒸气时，金属盒盖底部的变色油墨逐渐由绿色变成了黄色，如图2（b）-图2（d）所示。变色油墨升温变色现象直观地演示证明了水蒸气液化放热这个知识难点。

2.2 外界做功改变物体内能

在苏科版《物理》九年级上册教材中设计了如图3所示的实验演示外界做功改变物体内能。利用空气压缩引火仪压缩筒内空气，使得筒内棉花燃烧，借此说明活塞对空气做功，空气内能增大，温度升高最后点燃棉花。但实际实验过程中向下压缩活塞时，筒内棉花不一定会燃烧，使得课堂教学效果大打折扣。若用变色油墨设计如下实验，则物理现象更明显直观。

具体实验步骤如下：

（1）如图4（a）所示，将一根上部涂有绿色变色油墨的金属管（铁管或铜管）固定在桌面上。

（2）将一根布条绕过金属管并快速来回拉动布条摩擦金属管，观察金属管上部油墨颜色是否发生变化。

实验发现，来回拉动布条摩擦金属管一段时间后，金属管上部油墨逐渐由绿色变为了黄色，如图4（b）所示;继续快速拉动布条，则有更多的绿色油墨变成了黄色，如图4（c）所示。这说明布条摩擦金属管对金属管做功，金属管内能增大，温度升高导致油墨变色。

改变物体内能

2.3 热传导方向

改变物体内能的方式有两种：做功和热传递。而热传递的方式有传导、对流和辐射三种。在苏科版《物理》九年级上册教材中，将金属汤勺放在热汤中（图5），手摸勺柄感觉勺柄很烫，说明热量是沿着汤勺从高温的勺头传递到低温的勺柄。这个演示实验存在一定的不安全因素，怎么能安全、直观地显示热传导的方向呢？我们可以利用变色油墨来设计实验，直接显示热传导过程中热量的传导方向。

具体实验步骤如下：

（1）将一根涂满绿色变色油墨的铜棒固定在铁架台上，如图6（a）所示。

（2）用点燃的酒精灯加热铜棒右端，观察铜棒上油墨颜色变化的方向。

实验发现，当加热铜棒右端时，铜棒右端油墨最先由绿色逐渐变为黄色，而且变色区域沿着铜棒慢慢从右端向左端蔓延，直至油墨全部变色，如图6（b）（c）所示。这直观地说明了热量是沿着铜棒从高温的右端向低温的左端传递的。这样的实验设计让学生直观地看到了热传导过程进行的方向，加深了学生对热传导的理解。

2.4 滑动变阻器接入电路的有效电阻

在初中物理电学知识板块，滑动变阻器是一个常用的实验器材。知道滑动变阻器的工作原理，理解滑动变阻器接入电路的有效电阻，是学好电学实验的基础。在滑动变阻器教学中，如何让学生直观地看出是滑动变阻器哪部分电阻接入电路，是教学中的一个难点。我们可以利用变色油墨设计实验，巧妙地突破这个教学难点，具体实验步骤如下：

（1）在滑动变阻器线圈上均匀涂满绿色变色油墨，晾干后与小灯泡串联接在电源两端，如图7（a）所示。

（2）闭合稳压电源的开关，观察到小灯泡发光，说明电路中有电流通过。

（3）让电路通电5分钟，观察滑动变阻器线圈上油墨颜色的变化。

（4）将滑片向右端适当移动一段距离，再通电5分钟，观察小灯泡亮度的变化及滑动变阻器线圈上油墨颜色变化范围。

实验发现，通电约5分钟后，滑动变阻器滑片左侧电阻线圈上的变色油墨由绿色变成了黄色，如图7（b）所示。向右移动滑片一段距离后，灯泡亮度变暗，再通电5分钟左右，观察到滑动变阻器线圈上油墨变色范围增大，如图7（c）所示。这是因为有电流流过的线圈发热，线圈温度升高，导致油墨变色，这样就直观地显示出有电流通过的这部分线圈，所以油墨颜色发生变化区域的线圈电阻就是滑动变阻器接入电路的有效电阻。这个实验不仅让学生直接看清了滑动变阻器中哪部分电阻接入了电路，而且加深了学生对滑动变阻器工作原理的理解，强化了学生对电流和电阻关系的认识，为后续学习欧姆定律打下了良好的電学基础。

2.5 电源短路电流大小

短路是常见的电路故障。短路分为两种，一种是用电器被短路，另一种是电源被短路。用导线将用电器两端直接连接起来叫用电器被短路;用导线将电源的正负极直接连接起来叫电源被短路。用电器被短路时，无电流通过用电器，所以用电器不会损坏。而电源被短路时，电路中有很强的电流通过，电源容易被损坏，甚至引起火灾。为了加深学生对电源短路及其危害的认识，可以利用变色油墨设计演示实验，具体实验方法如下：

（1）将一段长5 cm左右的直铜棒表面涂上绿色变色油墨后晾干，如图8（a）所示。

（2）断开开关，将铜棒通过导线夹接入电路，如图8（b）所示。

（3）闭合开关，观察铜棒上油墨颜色变化，如图8（c）所示。

实验发现，闭合开关后电源短路，铜棒上油墨的颜色很快由绿色变成了黄色，如图8（d）所示。这说明铜棒温度升高得很快，由此可知电源短路时电路中产生了很大的电流。

2.6 探究影响电流热效应的因素

“探究影响电流热效应的因素”是初中物理

一个重要的实验。这个实验的演示装置很多，如加热煤油，观察煤油温度升高情况[图9（a）];加热气体，观察U形管中液柱高低变化情况[图9（b）]等。我们也可以利用绿色变色油墨探究影响电流热效应的因素，具体实验步骤如下：

（1）在定值电阻R1（5 Ω）和R2（20 Ω）上均匀涂上绿色变色油墨，并晾干，如图9（c）所示。

（2）如图9（d）所示，将R1接入电路。闭合开关，调节滑动变阻器使电路中的电流为0.1 A，同时开始计时，直到油墨变成黄色停止计时。从开始通电到油墨变色的时间记为t1。

（3）如图9（e）所示，调节滑动变阻器使电路中的电流为0.2 A，同时开始计时，直到油墨变成黄色停止计时。从开始通电到油墨变色的时间记为t2。

（4）如图9（f）所示，将电阻R1和R2串联接入电路。闭合开关，调节滑动变阻器使电路中的电流为0.2 A，同时开始计时，直到油墨变成黄色停止计时。电阻R1和R2从开始通电到油墨变色的时间分别记为t3和t4。

（5）比较t1、t2、t3和t4的大小，分析得出结论。