廣東省湛江市第二中學(xué)霞山校區(qū)(524002) 譚振興

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(xué)(231551) 劉信生

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題

做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一。因?yàn)閮?nèi)能是初中熱學(xué)部分的核心概念，對后面的熱機(jī)和比熱容知識的學(xué)習(xí)起到至關(guān)重要的作用，因此內(nèi)能大小決定因素的研究和改變物體內(nèi)能兩種途徑的實(shí)驗(yàn)探究對初中學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)熱學(xué)知識的作用不可小覷。滬科版初中物理第13章第1節(jié)“物體的內(nèi)能”中改變物體內(nèi)能途徑的教學(xué)，一般的課堂教學(xué)，首先引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)思維的可逆性建立做功改變物體內(nèi)能的兩條路徑:外界對物體做功，物體溫度升高內(nèi)能增加；物體對外界做功，物體溫度降低內(nèi)能減小。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中通常安排“空氣壓縮引火儀”演示實(shí)驗(yàn)：在配有密閉活塞的厚壁玻璃筒中放入一小團(tuán)硝化棉，迅速向下用力壓活塞，通過觀察硝化棉的前后變化情況，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)過程，得出使用外力壓活塞內(nèi)的氣體，對筒內(nèi)氣體做功，瓶內(nèi)空氣內(nèi)能增大且溫度升高，產(chǎn)生著火點(diǎn)較低的硝化棉被點(diǎn)燃的現(xiàn)象。說明外力對物體做功，物體的內(nèi)能增加。這個傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過硝化棉是否燃燒，較好地定性顯示筒內(nèi)空氣被壓縮前后內(nèi)能的變化。但是現(xiàn)實(shí)生活中學(xué)生對硝化棉的特點(diǎn)沒有感性認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)室里也不易找到；每次實(shí)驗(yàn)時都要用較大力氣且在較短的時間內(nèi)向下壓縮活塞，力氣小的學(xué)生無法完成，無法保證每次壓縮活塞一定能將硝化棉點(diǎn)燃；硝化棉的燃燒時間很短，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易捕捉；教師在講臺上演示時教室后排的學(xué)生很難看清楚，這些都是實(shí)驗(yàn)的缺陷。物體對外界做功的實(shí)驗(yàn)，教材中雖然沒有具體的安排，教師通常用打氣筒對裝有少量液體水并帶有軟橡皮塞的厚玻璃瓶內(nèi)充氣，直到瓶內(nèi)的氣壓能夠?qū)⑾鹌と斊?，使之突然“彈跳”起?俗稱“蹦塞”)，這時候瓶內(nèi)和瓶口出現(xiàn)“白霧”現(xiàn)象，依據(jù)過程中“白霧”的產(chǎn)生，師生通過逆向推理解釋現(xiàn)象。當(dāng)高壓氣體對外界(橡皮塞)做功，整個瓶內(nèi)的內(nèi)能減小且溫度降低，瓶內(nèi)水蒸氣遇冷液化成小水滴(白霧)。但是有一部分學(xué)生卻認(rèn)為，瓶內(nèi)被壓縮、較高溫度的水蒸氣通過“蹦塞”后，在瓶外的空氣中遇冷液化成小水滴，而不是水蒸氣自身在瓶內(nèi)遇冷液化成“白霧”。所以，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生對物理過程產(chǎn)生了理解上的障礙，弄不懂實(shí)驗(yàn)的真相到底是什么。筆者在教學(xué)過程中，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，將這兩個操作融合在一個裝置中，使整個實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)“可視化”，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“量化”的優(yōu)勢。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置及其制作

2.1 制作材料

5 L色拉油塑料瓶1個，自行車內(nèi)胎氣門芯、打氣筒各1個，50 cm長的PVC閥門開關(guān)、PVC直管(直徑20 mm)、帶有直角彎頭的PVC管各1個，普通溫度傳感器(帶有溫度探針)、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、鐵架臺各1個，硬質(zhì)A4紙1張，塑料焊槍、膠棒槍各1把，細(xì)木條、木塊、方木板各1塊，打火機(jī)1個，細(xì)鐵絲1根，剪刀1把等。

2.2 制作過程

(1)取5 L色拉油塑料瓶1個、自行車內(nèi)胎氣門芯1個，用打火機(jī)灼燒準(zhǔn)備好的細(xì)鐵絲，將燒紅的鐵絲在塑料瓶靠下的側(cè)面燙個小孔，隨后將氣門芯上的緊固螺絲旋下后從瓶口放入塑料瓶內(nèi)(氣門芯后端有一較大的墊片)，輕輕轉(zhuǎn)動瓶身，讓氣門芯從里面穿過來，再旋上緊固螺絲，使用膠棒槍的熱熔膠進(jìn)行縫隙密封。

(2)用通電發(fā)熱的塑料焊槍將PVC閥門開關(guān)的一端同帶有直角彎頭的PVC管連接起來，另一端焊接一截PVC直管，將彎頭一端插入塑料瓶口，再用膠棒槍的熱熔膠將管子和瓶口之間的隙縫密封好，同時用熱熔膠將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穩(wěn)而傾倒。

(3)用燒紅的細(xì)鐵絲在塑料瓶的上段側(cè)面燙個小孔，將普通溫度傳感器的溫度探針斜插入瓶內(nèi)，再用熱熔膠密封好孔隙。用鐵架臺固定好傳感器設(shè)備，用數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集器與之相連，再將采集器接入裝有數(shù)字化軟件的電腦上。

(4)用A4紙和剪刀制作1個風(fēng)車模型，用大頭針將風(fēng)車固定在帶有木塊底座的細(xì)木條頂端備用。

3 創(chuàng)新教具使用方法

3.1 演示外界對物體做功，物體溫度升高內(nèi)能增加實(shí)驗(yàn)

(1)依據(jù)從左到右、從下向上的組裝方法組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。

(2)首先打開瓶口的塑料閥門開關(guān)，沿管口滴入幾滴酒精(為下一個實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備)，再關(guān)閉塑料閥門。

(3)讓學(xué)生將打氣筒充氣嘴夾住氣門芯孔部，通過氣門芯向塑料瓶內(nèi)打氣來檢驗(yàn)瓶子的氣密性。

(4)發(fā)現(xiàn)裝置密閉完好后，用鼠標(biāo)雙擊打開電腦桌面的數(shù)字化軟件系統(tǒng)，屏幕顯示塑料瓶內(nèi)空氣的實(shí)時溫度，用力向瓶內(nèi)快速打氣，空氣會源源不斷被充入瓶內(nèi)。

(5)引導(dǎo)學(xué)生觀察電腦屏幕上的溫度示數(shù)，發(fā)現(xiàn)示數(shù)在逐漸增大，說明塑料瓶內(nèi)的空氣溫度在不斷地上升。

(6)師生互動交流得出結(jié)論：外界對物體做功，物體溫度升高，內(nèi)能將增加。

圖1 做功改變物體內(nèi)能數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 演示物體對外做功，物體溫度降低內(nèi)能減小實(shí)驗(yàn)

(1)在上一實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，讓學(xué)生停止用打氣筒打氣，移動細(xì)木條支架上的紙風(fēng)車，使其正對塑料瓶上的PVC管出氣口備用。

(2)用手輕輕旋動塑料閥門開關(guān)，瓶內(nèi)的高壓空氣從管口噴出，吹動風(fēng)車轉(zhuǎn)動，并且瓶內(nèi)出現(xiàn)“白霧”現(xiàn)象。此時電腦屏幕界面上的溫度示數(shù)開始迅速下降，并且下降到未打氣時的初始溫度(教室室內(nèi)溫度)以下。

(3)師生交流討論：瓶內(nèi)的壓縮氣體對外界做功(根據(jù)壓縮空氣推動風(fēng)車轉(zhuǎn)動現(xiàn)象來判斷的)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，瓶內(nèi)的氣體溫度下降，內(nèi)能將減小。

4 創(chuàng)新教具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(1)將外界對物體做功，物體內(nèi)能增加；物體對外做功，物體內(nèi)能減小兩個演示實(shí)驗(yàn)合二為一，提升了實(shí)驗(yàn)器材的利用率，減少了實(shí)驗(yàn)操作步驟，提升了實(shí)驗(yàn)效率。對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了簡化處理，裝置所用的材料易得，實(shí)驗(yàn)過程受外界環(huán)境影響因素較小，穩(wěn)定性增加，成功率高。該裝置不但可以用作演示實(shí)驗(yàn)，不可以用作分組實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐探究活動。

(2)整個實(shí)驗(yàn)操作節(jié)奏可以自由控制，可以讓學(xué)生進(jìn)行小組合作探究來完成。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯，巧妙應(yīng)用學(xué)生身邊的玩具(大風(fēng)車)，親切感十足，容易讓學(xué)生產(chǎn)生共鳴。

(3)將信息化技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)融合在一起，是該實(shí)驗(yàn)的最大亮點(diǎn)。通過溫度傳感器的巧妙使用，使整個實(shí)驗(yàn)由原來的定性探究變成定量探究。通過數(shù)字化軟件系統(tǒng)實(shí)時讀出物體的溫度，并通過高清數(shù)據(jù)線與教室的多媒體屏幕連接，讓全班學(xué)生“一睹為快”。并且可以使用軟件的設(shè)置功能，在顯示溫度的同時自動描繪出整個實(shí)驗(yàn)過程中的溫度-時間圖像(如圖2所示)，使實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)“可視化”，便于學(xué)生得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖2 外界對氣體、氣體對外界做功的溫度變化圖像