对“用数值温度计改进做功改变物体内能实验的探究”的再思考

摘 要：笔者认为教材中“做功改变物体内能”实验存在问题，现利用注射器与LED温度传感器组合的创新实验能获得更直观的效果，并分析呈现改进过程;将“对内做功”“对外做功”改变物体内能进行结构化处理.

关键词：做功;内能;注射器;温度传感器

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）06-0025-02

作者简介：周健（1980-），男，安徽濉溪人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理教学及实验创新.

《中学物理》2016年第14期刊登了钟剑明、刘虹两位老师撰写的《用数值温度计改进做功改变物体内能实验的探究》一文，笔者按照文章介绍器材（如图1所示），进行制作，效果较好.经过深入思考及教学实践，笔者对器材进一步改进，可以克服以下缺点：

（1）此器材较小，液晶显示器亮度较差，不利于演示使用.

（2）用手握住注射器会发生热传递导致内部气体温度升高的问题.

（3）只能说明对物体做功，物体内能增大;不能说明物体对外做功内能减小.不利于学生对做功改变物体的内能的整体建构.

基于以上考虑，为了更加直观地得到结论，笔者利用注射器与LED温度传感器结合攻克以上缺点，制作了仪器.

1 注射器系列及改进过程

1.1 主要器材

注射器2个（规格：200mL或250mL）、LED温度传感器、电源（根据温度传感器规格而定）、热熔胶及热熔胶枪、玻璃胶枪、小刀.

1.2 制作及改进过程

（1）在距离注射器针头1cm处，用小刀尖旋出一孔，将传感器温度探头塞入注射器约2cm深处，用热熔胶将孔封死，为有较好封闭效果，建议孔为不规则形状.

（2）根据W=Fs，移动同样的距离，施加的力越大，做功越多，增加的内能应该越大;且经实验验证，压缩为原体积的二分之一，温度变化很小，继续压缩至原体积的三分之一，温度变化较大;而注射器内容积压缩为原来的三分之一，根据气体压强、体积、温度关系，其内部压强大约为3.2个标准大气压.200mL的注射器，活塞直径约为5cm，横截面积约为20cm2，达到上述效果需要的力大小为440N.这个力毫无疑问通过手来推动，有一定困难.笔者首先想到利用螺旋推进器，并将其注射器推进杆截去，如图2甲所示组装，但是螺旋推进器螺杆的顶端的特殊构造（如图2乙所示）容易使活塞受力不在正中间，若把顶端焊死，旋转式推进使活塞跟随转动，会使活塞损坏.

（3）笔者后来采用玻璃胶枪与上述注射器组合.如图3所示.点亮温度传感器，注射器活塞通过玻璃胶枪对气体做功，发现活塞温度传感器示数逐渐增大（如图4所示），由此说明，对物体做功，物体内能增大.为更加匹配温度传感器示数变化和学生观察，建议缓慢推进.

（4）将两个活塞之间的气阀打开，左侧注射器内气体对右侧的注射器活塞做功，发现温度传感器示数逐渐减小（如图5所示），由此说明，物体对外做功，物体内能减小.

2 对器材的深入思考

当演示物體对外做功、内能减小的过程时，可能会被认为是内部气体与外界发生热传递，导致温度计示数减小，内能减小.可以采取如下措施：对比不打开气阀和打开气阀时10s内温度计示数降低温度（见表1）.由此可见，打开气阀，气体对外界做功时示数降低得较快，从而说明物体对外做功，内能减小.

3 结语

通过压缩引火仪和烧瓶活塞弹起两个实验激趣、设疑，再由上述注射器改装的实验仪器直观呈现出做功和内能的具体关系，进而解决压缩引火仪和烧瓶活塞弹起的问题，符合学生认知特点.自制的仪器常见，通过网络可以购买，价格便宜，使学生明白，物理知识、实验基础器材就在我们身边，有利于引导学生进行自主创新实验，发展学生真实学力，促进核心素养形成.基于以上观点，笔者认为上述创新实验能够较好地促进对“做功可以改变内能”的认识.

参考文献：

[1]傅志强.紧抓实验原理 突破教学难点——以“做功可以改变物体的内能”为例[J].湖南中学物理，2017，32（12）：35-36+93.

[2]钟剑明，刘虹.用数值温度计改进做功改变物体内能实验的探究[J].中学物理，2016，34（14）：50.

[3]郑克东，何季军.自制实验装置 突破“内能”教学难点[J].中学物理，2020，38（02）：27-28

[4]张皓洋.“做功改变物体内能”的实验装置[J].发明与创新（中学生），2020（01）：30-31.

[5]何临红.“做功改变物体内能”的新型实验研究[J].科技通报，2019，35（07）：222-226.

（收稿日期：2020-11-22）