“热成像技术”在初中热学实验教学中的应用

王绍刚 向优生 胡爱华

(1. 重庆市九龙坡区教师进修学院，重庆 400050；2. 重庆市礼嘉中学，重庆 401122；3. 重庆市田家炳中学，重庆 400050)

1 研究背景

热成像技术是指利用红外探测器和光学成像测试被测目标的红外辐射能量分布图，把不可见的物体发出的红外能量转化为可见的热图像，通过手机或电脑显示。根据物体表面的辐射特点，可以用热成像技术来观察初中阶段一些教学实验的温度变化和热分布情况。现行教材主要借助液体温度计进行实验，其测温的缺点是可视性差和操作复杂，因为它要和被测液体达到热平衡才能读出温度，并要记录多个温度变化，同时实验往往还需要两支温度计同时进行对比测量，既影响实验教学效果，又会干扰学生对知识的理解和对实验现象的判断。而热成像仪可以同时对多个实验对象进行成像测量，物体温度的差别及变化能够得到直观呈现。将热成像技术引入初中热学实验教学，有效地提升了学生的学习兴趣，大大简化了实验测量的步骤。

2 实验过程

2.1 探究不同物质的吸热本领，研究电流的热效应

在探究不同物质的吸热本领时采用相同质量的水和食用植物油，装在相同型号的试管中，固定在支架上，在长方体玻璃水缸内缓慢加入烧开的水对两个试管内的液体同时进行水浴加热，热源使用电加热器。实验操作过程为：将电热水壶烧开的热水倒入玻璃槽中，水浴加热试管中的液体，打开热成像仪进行热成像。教学中可以采用教室投影仪投影展示，效果极佳。

2.2 利用萘模拟“雾凇”的凝华

实验采用家里用的樟脑丸(主要成分为萘)，将其研磨成粉末状，然后装在圆底烧瓶中，将松枝根茎固定在橡胶塞的一端，加热圆底烧瓶使得晶体萘熔化成液体并随之汽化成萘蒸汽。通过热成像发现晶体萘从圆底烧瓶底部吸收了大量的热量，当烧瓶中萘蒸汽较多时还会出现大量的高温萘蒸汽，其整体热成像图像的颜色也较深(图1)。

图1

2.3 萘凝华实验

在烧瓶底部看见有明显的“冰晶”，是萘蒸汽遇冷凝华形成的(图2)，并且“冰晶”形成在容器的内壁。如图3所示，取出松枝，在松枝枝叶的表面凝结了大量的”小冰晶”，和雾凇的形成原理相同。通过本实验，可以在教学中突破“升华、凝华”吸放热的教学难点，为教师形象直观地演示“升华、凝华”实验提供了思路，“热成像技术”直观地显示了萘在发生升华和凝华过程中的温度变化特点，可以直接分析出热传递的方向以及判断“物态变化过程中吸放热的情况”，增强了实验的趣味性，同时激发了学生探索的欲望。

图2

图3

3 利用热成像仪探究不同物质的吸热本领

初中热学部分内容在中考物理试卷中主要体现在：比热容、热传递、内能的概念等知识的理解和计算。

教材中探究比热容定义式的实验应用了两种控制变量法：(1)用两个相同的酒精灯(或相同规格的电加热丝)加热相同质量的煤油和水，比较吸收相同热量时煤油和水哪个温度升高得更多。(2)相同质量的煤油和水升高相同的温度，比较哪个加热的时间更长？即哪个吸收的热量更多？

如图4所示，对相同质量的水和煤油同时用水浴法加热，实验中进行15分钟的加热和15分钟的放热，每隔5分钟观察一次实验现象，并进行热成像记录。装置左侧试管装的是水，右侧试管装的是煤油，加热前水和煤油的初温和质量相同，使其吸收相同热量，每张图中左侧试管呈“浅粉色”，右侧试管呈现“深红色”，煤油在各个时刻的热成像图像中颜色都“较深”，实验结果表明煤油温度上升的速度大于水，可见水的吸热本领比煤油大。

图4

实验结果表明，基于“热成像技术”的“探究不同物质吸热本领”实验能清晰直观地在教学中反应温度的变化和分布情况，得出“不同物质吸热本领不同”的结论，同时该方案也是对传统教学实验的创新改进。在“探究焦耳定律”实验中，研究电流通过导体时产生的热量与什么因素有关，传统教学实验建议采用转换法，通过观察U形管液面的高度差来比较通电导体放出热量的多少。而采用热成像图可直接观察颜色的深浅来判断温度的高低和放出热量的多少，有效地减少了因为装置气密性不好对实验结果造成的影响，实验操作更简捷，实验结果可靠性更高。

4 结语

基于“热成像技术”的初中热学实验可以直观地显示所要对比的温度的变化和分布，图像颜色的差异观察比温度计示数的读数更加方便与快捷。本文为热成像技术在“探究不同物质吸热本领”“探究晶体凝华的吸放热情况”和“热传递方向”的教学提供具体的实验实施方案，热成像技术具有广泛的初中实验教学应用前景，这种实验手段的融入有助于吸引学生的注意力，提升学生学习的乐趣，激发他们的创造创新热情，在实际教学过程中显示出了很好的效果，具有广阔的推广前景。