李超

研究背景

“做功改變氣體內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)是初中物理熱學(xué)部分的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，分為外界對(duì)氣體做功和氣體對(duì)外做功兩個(gè)部分。一些教材或資料上，主要是通過壓縮引火儀演示外界對(duì)氣體做功，氣體溫度升高，內(nèi)能增加，如圖1所示。氣體對(duì)外做功，則通過對(duì)瓶子加壓，或加熱試管內(nèi)部的水，氣體膨脹將塞子沖出去，從而實(shí)現(xiàn)氣體對(duì)外做功。教科版九年級(jí)《物理》上冊(cè)是通過傳感器采集數(shù)據(jù)，通過圖形化的方式演示氣體對(duì)外做功的過程。

上述幾種方案均存在明顯不足：一是存在安全問題，即橡皮塞沖出可能會(huì)傷到人；二是裝置不方便攜帶，組裝比較麻煩；三是效果不明顯，不能直觀顯示氣體對(duì)外做功的溫度變化情況；四是不能通過一套裝置同時(shí)完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的演示。

基于以上情況，筆者產(chǎn)生了改進(jìn)該演示實(shí)驗(yàn)裝置的想法：一是利用一套裝置同時(shí)演示兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，二是利用溫度傳感器顯示溫度，增強(qiáng)可視化效果。

裝置設(shè)計(jì)

本演示裝置受到消毒噴壺的啟發(fā)，利用噴壺可以加壓，氣體可以噴出對(duì)外做功的特點(diǎn)，對(duì)噴壺進(jìn)行改造，達(dá)到演示效果。本裝置經(jīng)過三代改進(jìn)，性能得到提升，效果更加明顯。

1.0 版本（圖2），直接將溫度傳感器及顯示屏放置于噴壺內(nèi)部，初步實(shí)現(xiàn)了想要的功能，但是存在兩個(gè)問題：一是顯示屏太小、亮度不高，不便于觀察；二是該顯示屏沒有開關(guān)，采用內(nèi)置紐扣電池供電，后期不便于維護(hù)。

2.0 版本（圖3），采用了高亮度的大屏LED 顯示屏，將其固定在噴壺外面，便于觀察，且更加美觀。因顯示屏供電需要12 ～ 24 V 電壓，故采用12 V 可充電鋰電池進(jìn)行供電。由于電池體積較大，故將其固定在把手上。

3.0 版本（ 圖4）， 在2.0 版本的基礎(chǔ)上，將外置鋰電池改為兩節(jié)小號(hào)12 V 干電池串聯(lián)，將電池內(nèi)置于把手內(nèi)，使得裝置看起來(lái)更加簡(jiǎn)潔、美觀；使用按鈕開關(guān)控制顯示屏，操作更加簡(jiǎn)便。

操作演示步驟

檢查裝置完整度及氣密性。

通過手柄向噴壺打氣，觀察溫度計(jì)示數(shù)變化。

當(dāng)溫度升高 3 ～ 5 ℃或感覺加氣困難時(shí)停止打氣。

按下噴氣按鈕，使噴頭沖出。

觀察溫度計(jì)示數(shù)變化，如圖5 所示。

首先，通過打氣筒打氣，實(shí)現(xiàn)外界對(duì)氣體做功，可以看到氣體溫度上升，表明氣體內(nèi)能增大。其次，通過按動(dòng)噴氣按鈕，氣體快速將塞子沖出，實(shí)現(xiàn)氣體對(duì)外界做功，可以看到氣體溫度下降，表明氣體內(nèi)能減小。

創(chuàng)新點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

利用噴壺改裝實(shí)驗(yàn)裝置，取材源于生活，可復(fù)制性強(qiáng)。

同時(shí)完成外界對(duì)氣體做功和氣體對(duì)外界做功兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)。

成本低廉、效果明顯、方便攜帶。

可重復(fù)使用，可靠性、安全性高。

總結(jié)

該裝置能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有教材演示實(shí)驗(yàn)的不足，克服傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的多種不便，演示效果和效率大大提高。但本裝置也存在有待提高和完善的地方，比如當(dāng)噴頭沖出時(shí)，瓶?jī)?nèi)若能觀察到“白氣”，效果更佳。

該項(xiàng)目獲得第37 屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)