高中物理论文：做功改变气体内能演示仪的改进

PAGEPAGE1做功改变气体内能演示仪的改进物理学是一门以实验为基础的自然学科。实验在提高学生的科学素养，激发学生的学习兴趣，理解和掌握物理知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度，形成科学探究的能力，都具有不可替代的作用，实验的过程与方法可以让学生体验知识的形成与发展，为此，实验教学可以很好地来实现物理新课程标准所要求“三维”目标。所以，研究和发挥物理实验的教育功能，是教学研究工作者必须思考的问题。在实际教学过程中往往碰到现行教材中有些演示实验设计思想不够严谨，容易使人产生疑义或实际操作性不强，于是如何设计、改进课本演示实验，使其更加符合科学性，增强其可操作性及提高实验的“可见度”和可信度，发挥演示实验的功能，提高教学效果，使教学能够达到事半功倍。图1现行高中物理课本（全日制普通高级中学教科书（必修加选修）（人教版））中关于做功改变气体内能有两个演示实验，演示实验1是一定质量空气被压缩时使内能增大，使封闭气体温度升高，从而使里面可燃物质（可以是火柴头也可以是浸有乙醚的棉絮）燃烧，效果明显，易于操作。而演示实验2是一定质量的空气对外做功使内能减小。课本中采用厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温和一根气针，另一端有一可移动的胶塞(用卡子卡住)。用打气筒慢慢向容器内打气，增大容器内的压强。当容器内的压强增大到一定程度时读出灵敏温度计的示数，打开卡子，让气体冲开胶塞后，再读出灵敏温度计的示数。实验时可以观察到，胶塞冲出容器口后，温度计的示数明显变小。（实验装置如图1所示）图1对演示实验2产生这样一些歧义：1．当胶塞冲出容器口时，气体质量变化，而气体质量改变时内能也同时会发生变化，内能的变化不仅仅是气体体积的变化而引起的，那么这个气体内能的减少到底是原因呢？是气体质量的减少还是气体对外做功？这容易引起疑义。2．用打气筒向容器内打气，增大容器内的压强，当容器内的压强增大到一定程度时，让气体冲开胶塞，胶塞会象子弹一样弹出去，存在一定的安全隐患，而且操作过程较麻烦，实际操作性不强。3．灵敏温度计的示数需要近距离仔细观看，不可能让每个学生都观察到实验过程中气体温度的变化。使演示实验的“可见度”和可信度打了一定的折扣。鉴于出现的上述问题，笔者对这一演示实验作了改进。一．实验仪器的改装在实验室有威尔逊云室，原来是用来观察射线径迹的，由于“探测射线的方法”这一节内容是选学内容，又实验室中配备了另一种同样可以观察射线径迹且操作更为简洁的实验装置，这个原有的云室装置成了废弃物。如何变废为宝这是教学工作者应该做的事情。云室的主要部分是一个塑料或玻璃制的容器（如图2所示），具有很好的气体密封性。它的下底（由可在小范围内自由伸缩的较厚且柔韧性较好的橡皮膜和操作杆构成）可以在操作杆的作用下在一定范围内可以上下移动，这样可实现在保证气体质量一定的前提下来改变气体体积，从而达到对气体做功和气体对外做功的目的。看到云室的这一功能，若能对这一装置稍作改进，就可以制作成一个具有很强操作性和有很高可信度的做功改变气体内能的演示仪。图3图2图3图2用数字温度仪来代替书本实验介绍中的灵敏温度计，数字温度仪（在市场可买）是数字液晶显示的温度测量仪表（如图3所示），以热电偶作为温度传感器，当热电偶探头接触被测物体时，显示器就会显示该物体的温度（实验器材配备中可备两个热电偶探头一个用于实验仪器中，一个可以让学生切身感受数字温度仪的作用，以提高实验可信度）。数字温度仪采样速度达到2.5次/秒，读数准确到0.1℃。准备好上述器材就可以改装实验了。把云室的透明上盖打开，拆下里面的金属网罩（在这个实验里是多余的），把数字温度仪的热电偶探头放进云室（注意热电偶探头不可接触其他任何物体，这样热电偶探头可以探测封闭在云室里的气体的温度），把传导线分成两股分别接云室的两接线柱，封闭云室装置，保证实验装置的气密性（如图4所示）。在从两接线柱引出传导线接数字温度仪（如图5所示）。这样就完成了整个实验仪器的改装。图4图5图4图5二．实验仪器的使用图6图7经过改进的实验仪器操作简单实用，操作性极强。先读出实验前云室内气体温度（如图5所示，读数为21.7℃），然后再轻轻压下连有的压杆，使密闭容器体积增大，即可使封闭气体对外做功，再次读出该温度计示数，此时可以看到数字温度仪的示数明显变小（如图6所示，读数为20.5图6图7三．改进后的实验装置的优点改进后的实验装置很好地满足了保证气体质量不变的要求，避免了由于气体质量发生变化而导致气体内能改变的嫌疑，提高了实验可信度。该实验仪器操作简单，现象明显，安全，可多次简单重复操作，也可以让学生自己动手参与这个演示实验，让学生切身体验知识的获得，这大大提高了教学效果，同时也能进一步激发学生学习物理的兴趣。而且该实验装置还具有双重功能，即既可说明气体膨胀对外做功，气体内能减少，温度降低，又可说明外界对气体做功，气体内能增加，温度升高。可以把教科书中所描述的两个实验“合二为一”。为提高实验“能见度”，我们还可把数字温度仪的数字显示可以通过摄像头或实物投影仪通过