自制做功改变物体内能的数字化演示仪

广东省湛江市第二中学霞山校区(524002) 谭振兴

安徽省庐江县龙桥镇初级中学(231551) 刘信生

1 传统实验存在的问题

做功改变物体内能实验是初中物理教学的重点实验之一。因为内能是初中热学部分的核心概念，对后面的热机和比热容知识的学习起到至关重要的作用，因此内能大小决定因素的研究和改变物体内能两种途径的实验探究对初中学生继续学习热学知识的作用不可小觑。沪科版初中物理第13章第1节“物体的内能”中改变物体内能途径的教学，一般的课堂教学，首先引导学生依据思维的可逆性建立做功改变物体内能的两条路径:外界对物体做功，物体温度升高内能增加；物体对外界做功，物体温度降低内能减小。传统的课堂教学中通常安排“空气压缩引火仪”演示实验：在配有密闭活塞的厚壁玻璃筒中放入一小团硝化棉，迅速向下用力压活塞，通过观察硝化棉的前后变化情况，引导学生分析实验过程，得出使用外力压活塞内的气体，对筒内气体做功，瓶内空气内能增大且温度升高，产生着火点较低的硝化棉被点燃的现象。说明外力对物体做功，物体的内能增加。这个传统实验通过硝化棉是否燃烧，较好地定性显示筒内空气被压缩前后内能的变化。但是现实生活中学生对硝化棉的特点没有感性认识，实验室里也不易找到；每次实验时都要用较大力气且在较短的时间内向下压缩活塞，力气小的学生无法完成，无法保证每次压缩活塞一定能将硝化棉点燃；硝化棉的燃烧时间很短，实验现象不易捕捉；教师在讲台上演示时教室后排的学生很难看清楚，这些都是实验的缺陷。物体对外界做功的实验，教材中虽然没有具体的安排，教师通常用打气筒对装有少量液体水并带有软橡皮塞的厚玻璃瓶内充气，直到瓶内的气压能够将橡皮塞顶起，使之突然“弹跳”起来(俗称“蹦塞”)，这时候瓶内和瓶口出现“白雾”现象，依据过程中“白雾”的产生，师生通过逆向推理解释现象。当高压气体对外界(橡皮塞)做功，整个瓶内的内能减小且温度降低，瓶内水蒸气遇冷液化成小水滴(白雾)。但是有一部分学生却认为，瓶内被压缩、较高温度的水蒸气通过“蹦塞”后，在瓶外的空气中遇冷液化成小水滴，而不是水蒸气自身在瓶内遇冷液化成“白雾”。所以，该实验现象使学生对物理过程产生了理解上的障碍，弄不懂实验的真相到底是什么。笔者在教学过程中，将数字化实验融入到传统实验中，将这两个操作融合在一个装置中，使整个实验过程实现“可视化”，实验数据实现“量化”的优势。

2 创新实验装置及其制作

2.1 制作材料

5 L色拉油塑料瓶1个，自行车内胎气门芯、打气筒各1个，50 cm长的PVC阀门开关、PVC直管(直径20 mm)、带有直角弯头的PVC管各1个，普通温度传感器(带有温度探针)、数据采集器、笔记本电脑、铁架台各1个，硬质A4纸1张，塑料焊枪、胶棒枪各1把，细木条、木块、方木板各1块，打火机1个，细铁丝1根，剪刀1把等。

2.2 制作过程

(1)取5 L色拉油塑料瓶1个、自行车内胎气门芯1个，用打火机灼烧准备好的细铁丝，将烧红的铁丝在塑料瓶靠下的侧面烫个小孔，随后将气门芯上的紧固螺丝旋下后从瓶口放入塑料瓶内(气门芯后端有一较大的垫片)，轻轻转动瓶身，让气门芯从里面穿过来，再旋上紧固螺丝，使用胶棒枪的热熔胶进行缝隙密封。

(2)用通电发热的塑料焊枪将PVC阀门开关的一端同带有直角弯头的PVC管连接起来，另一端焊接一截PVC直管，将弯头一端插入塑料瓶口，再用胶棒枪的热熔胶将管子和瓶口之间的隙缝密封好，同时用热熔胶将塑料瓶底部和方木板固定在一起，目的是防止塑料瓶重心不稳而倾倒。

(3)用烧红的细铁丝在塑料瓶的上段侧面烫个小孔，将普通温度传感器的温度探针斜插入瓶内，再用热熔胶密封好孔隙。用铁架台固定好传感器设备，用数据线将数据采集器与之相连，再将采集器接入装有数字化软件的电脑上。

(4)用A4纸和剪刀制作1个风车模型，用大头针将风车固定在带有木块底座的细木条顶端备用。

3 创新教具使用方法

3.1 演示外界对物体做功，物体温度升高内能增加实验

(1)依据从左到右、从下向上的组装方法组装好实验装置，如图1所示。

(2)首先打开瓶口的塑料阀门开关，沿管口滴入几滴酒精(为下一个实验做好准备)，再关闭塑料阀门。

(3)让学生将打气筒充气嘴夹住气门芯孔部，通过气门芯向塑料瓶内打气来检验瓶子的气密性。

(4)发现装置密闭完好后，用鼠标双击打开电脑桌面的数字化软件系统，屏幕显示塑料瓶内空气的实时温度，用力向瓶内快速打气，空气会源源不断被充入瓶内。

(5)引导学生观察电脑屏幕上的温度示数，发现示数在逐渐增大，说明塑料瓶内的空气温度在不断地上升。

(6)师生互动交流得出结论：外界对物体做功，物体温度升高，内能将增加。

图1 做功改变物体内能数字化实验装置

3.2 演示物体对外做功，物体温度降低内能减小实验

(1)在上一实验基础上，让学生停止用打气筒打气，移动细木条支架上的纸风车，使其正对塑料瓶上的PVC管出气口备用。

(2)用手轻轻旋动塑料阀门开关，瓶内的高压空气从管口喷出，吹动风车转动，并且瓶内出现“白雾”现象。此时电脑屏幕界面上的温度示数开始迅速下降，并且下降到未打气时的初始温度(教室室内温度)以下。

(3)师生交流讨论：瓶内的压缩气体对外界做功(根据压缩空气推动风车转动现象来判断的)，内能转化为机械能，瓶内的气体温度下降，内能将减小。

4 创新教具设计的特点

(1)将外界对物体做功，物体内能增加；物体对外做功，物体内能减小两个演示实验合二为一，提升了实验器材的利用率，减少了实验操作步骤，提升了实验效率。对实验装置进行了简化处理，装置所用的材料易得，实验过程受外界环境影响因素较小，稳定性增加，成功率高。该装置不但可以用作演示实验，不可以用作分组实验和课外实践探究活动。

(2)整个实验操作节奏可以自由控制，可以让学生进行小组合作探究来完成。实验现象直观、明显，巧妙应用学生身边的玩具(大风车)，亲切感十足，容易让学生产生共鸣。

(3)将信息化技术与传统实验融合在一起，是该实验的最大亮点。通过温度传感器的巧妙使用，使整个实验由原来的定性探究变成定量探究。通过数字化软件系统实时读出物体的温度，并通过高清数据线与教室的多媒体屏幕连接，让全班学生“一睹为快”。并且可以使用软件的设置功能，在显示温度的同时自动描绘出整个实验过程中的温度-时间图像(如图2所示)，使实验过程实现“可视化”，便于学生得出科学的实验结论。

图2 外界对气体、气体对外界做功的温度变化图像