多功能分子间隙实验仪创新方案

陈锦华

摘   要：：现行的初中物理实验室没有分子间隙显示的相关仪器，一线教师在教学中采用一些方法虽也可得出分子间存在间隙的结论，但是其呈现的效果并理想。在以往验证分子间存在间隙的演示实验中，普遍采用水与实验室酒精混合的方式进行验证，首先在溶液的倾倒过程中存在较大的误差，而且实验效果并不是很明显，二者在混合后温度升高的现象无法直接呈现给学生。本文介绍了一款分子间隙显示仪，其将水和酒精混合在装置中，观察端的液面下降可达7 cm，同时借助内嵌的温度计模块，让学生观察到实验过程伴随的温度变化。本器材不但能完成验证分子间隙的实验，同时还可完成气体做功内能变化实验。

关键词：分子间存在间隙;实验仪;显示温度

笔者曾经在担任十年初中物理教学工作中，为了验证分子间存在间隙，采用两个100 ml量筒分别装50 ml的水和50 ml的实验室酒精（如图1），分别在水和酒精中滴入红色墨水染色后，将水倒入装酒精量筒，总液体体积为97 ml（如图2）。微弱的液面下降无法全班同学可见，需要第一排学生读数后转达给其余学生，因此全班大部分学生都是间接知道两种液体混合体积减小。

初中物理课程的基本理念是提高学生科学素养，而科学探究的学习方式是提高学生科学素养的一种重要而有效的途径[ 1 ]。在核心素养背景下，物理实验的优势是其他手段无法替代的，因此落实物理实验势在必行。现行初中物理实验室没有验证分子存在间隙的相关仪器，当水和酒精混合后温度会升高，无法直接显示给学生。经文献查询，在张侠老师的“浅谈几个物理演示实验的改进”[ 2 ]一文中，先往容量瓶中加入50 ml的水，并在液面处画好标记线，将水倒出，采用两只25 ml的酸式滴定管分别添加酒精和水混合均匀。实验完成后可看到液面低于标记线1 cm，如图3。

图3  酒精和水加入容量瓶中实验步骤

如果能够设计一款操作简单，体积变化效果明显、显示温度变化的分子间隙显示仪，则不仅能够提高课堂教学的便利性、提升教学效率，而且能够提高教师课堂实验的积极性、提高学生的观察力，同时根据温度变化的原因，提升学生的科学素养。而一个实验装置的多种用途，可节约实验装备成本。

1  器材及改进方式

1.1  所需器材

250 ml针筒两个、单向阀一个、30 cm注射液软管（直径4 mm）一根、8 cm注射液软管（直径2 mm）一根、热电偶温度计一个、10 cm×15 cm塑料板一块、温度计支架一个（选配）。

1.2  项目整体外观（如图4）

本项目的成果做成教具形式，由3个模块组成，实验反应装置、注射模块、温度显示模块。

1.3  反应装置制作方式

（1）针筒去除活塞，下侧部位用手电钻打孔，用砂纸将打孔四周位置打磨粗糙;

（2）单向阀进水口向内深入针筒，并用热熔胶粘贴在针筒璧上;

（3）针筒中偏上部位用手电钻打孔，将热电偶温度计探头深入内部，用热熔胶密封粘牢;

（4）针筒朝上放置，底部打好热熔胶后粘贴在塑料板上，打上足够的热熔胶做好密封。

（5）8 cm注射液软管（直径2 mm）插入针筒头上。

2  教学用途与用法

2.1  分子间隙间存在间隙实验

（1）热电偶温度计显示模块与探头连接线连接完整;

（2）用30 cm注射液软管连接另外一个针筒注射口，装置下方用水槽接住溢出的水，防止桌面打湿;

（3）用针筒从单向阀往反应装置内部注入滴加红墨水的水，直至反应装置注满水，记录此时温度15.3℃（如图5）.

（4）取下针筒，吸取50 ml的酒精迅速通过单向阀添加至反应装置中，并记录此时温度19.1℃。将装置静置1 min，可看到针筒内部液面缓慢下降7 cm。（如图6）

（5）实验完成，将装置倒置，针筒往里面注入空气，排出液体。

2.2  拓展用途——气体做功内能变化实验

（1）热电偶温度计显示模块与探头连接线连接完整，取下8 cm注射液软管;

（2）用30 cm注射液软管连接另外一个针筒注射口;

（3）用另一针筒从单向阀内部加入5 ml酒精;

（4）连接好两个针筒，用手堵住反应装置针筒口，用力推动另一针筒活塞，可看到温度从20.7℃（如图7）升高到24.3℃（如图8），放开手指，气体对外做功，温度下降置20.3℃（如图9）。

3  科学原理

分子间存在间隙，两种液体混合后，互相彼此进入对方，总体积会变小。对气体做功内能变化、温度变化。

4  改进点和创新点

（1）提升教具的直观性，可观察液面下降范围大，全体学生在各个角落都可看见。

（2）可直接显示水和酒精混合后温度升高，提高实验现象的完整性，扩宽学生的视野。

（3）实验演示更为客观，提高实验的精密性。

（4）一个装置多个用途，可演示气体做功内能变化，效果直观，操作简单。

5  使用情况与推广价值

本教具在实际教学中使用，师生一致反映教学效果良好，全体学生都可亲眼看到体积的变化，自行小结分子间存在间隙的实验现象。同時教师利用本教具拍摄教学微课，供学生自主学习，效果良好。

由于示教效果良好，本教具受到教学仪器经销商的青睐，笔者与福建天麦教学设备有限公司初步达成合作意向。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2011 年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2011（4）.

[2] 张侠.浅谈几个物理演示实验的改进[J].高中数理化，2014（18）：30-31.