董亞男

呈現熱傳導快慢的實驗方案

材料：細棉線一段、約40cm長的鐵絲、（或其他金屬絲）、細木棍或竹制毛衣針、剪刀、帶夾子的鐵架臺、蠟燭、長試管、試管夾，小活魚等。

方案1：研究熱傳導

將鐵絲彎成平行的二股叉形狀，且一長一短，叉股間距約3cm；將叉子型鐵絲懸空固定，使兩個叉股保持水平，如圖1（a）所示。

將蠟燭點燃一段時間后，把棉線經過火焰下蠟燭溶液內浸潤成“蠟線”，繃直冷卻，如圖1（b）所示。

將冷卻變硬的棉線用剪刀剪成6cm的6小段，如圖 1（c）所示。

將6小段“蠟線”等間距平放在鐵絲制成的叉股上，如圖1（d）所示。用蠟燭的火焰對那段長的叉股加熱，片刻后，從靠近火焰的第一根“蠟線”開始依次發(fā)生彎折，如圖1（e）所示，蠟燭火焰的熱通過鐵絲傳播到第一根 “蠟線”處，“蠟線”中的蠟遇熱溶化，棉線變軟發(fā)生彎折;隨著熱的繼續(xù)傳導，第二根“蠟線”彎折，第三根依次彎折，如圖 1（f）所示。

圖1

方案2：體感不同材料的熱傳導

如圖2所示，兩手各持約15cm長的鐵絲和木棍的一端，另一端在蠟燭火焰上加熱，只要有一只手感覺發(fā)熱就停止加熱。手持鐵絲的手先感覺到發(fā)熱，鐵絲傳導熱的速度比木棍快，所以手持鐵絲的手先感覺到溫度升高。

圖2

方案3：水是熱的不良導體

如圖3所示，將長試管中裝水近滿，放進兩條小魚。用試管夾將試管上部夾住，手持試管夾將試管的管口處放在酒精燈火焰上加熱，持續(xù)加熱幾分鐘后，管口處的水開始沸騰。由于水不善于傳熱，水里的小魚安然無恙。

圖3

以上實驗說明：熱傳導是熱量從物體的高溫部分沿著物體向低溫部分傳遞的現象。金屬是熱的良導體，非金屬是熱的不良導體。

呈現熱對流現象的實驗方案

材料：鐵架臺、“長頸燒瓶”、高錳酸鉀晶粒、酒精燈、易拉罐金屬皮、剪刀、細金屬絲、蠟燭。

方案1：觀察液體的對流現象

將裝有冷水和少量高錳酸鉀晶粒的 “長頸燒瓶”懸空架在鐵架臺上；用酒精燈在燒杯底下對準高錳酸鉀晶粒加熱（為了確保定位加熱，在“長頸燒瓶”底部墊上一個有孔的金屬圓片，通過小孔對準高錳酸鉀晶粒加熱），片刻后可觀察到中間部位紫紅色的高錳酸鉀溶液緩慢上升，到了水面之后向四周擴散，然后從瓶子的側面下降，整個過程如圖4所示。高錳酸鉀溶液的上下運動，說明下面的水與上面的水存在溫差，熱水上升，冷水下降，上下循環(huán)，最后整個瓶子的水都熱起來。實驗現象說明：溫度高的液體或氣體，因密度變小而上升，臨近溫度較低的液體或氣體對流過來補充，形成液體或氣體的對流。

圖4

方案 2：風輪一

將易拉罐剪成一個圓，過圓心畫十字線，用剪刀將十字線剪開（不要剪到圓心）；將剪開的四個扇形稍稍彎曲成葉輪，如圖5（a）所示；在葉輪中心砸一個小坑，用細鐵絲支起；細鐵絲的另一端懸空固定在鐵架臺上；將點燃的酒精燈放在葉輪的正下方，這時葉輪發(fā)生旋轉，如圖5（b）所示。其原理是熱空氣上升，冷空氣下降?？諝饬鲃有纬娠L，在風的推力下葉輪旋轉起來。

圖5

方案 3：風輪二

將一紙片按圖剪成一個風輪，在其中心用細線懸掛，細線的另一端綁在一個木棍上，手持木棍將風輪懸在蠟燭火焰的上方 （不要靠近火焰，避免燃燒），此時由于對流作用使風輪旋轉，如圖6所示。

圖6

以上三個實驗說明對流是熱傳遞的一種方式。溫度高的液體或氣體，因密度變小而上升，臨近的溫度較低的液體或氣體對流過來補充，形成液體或氣體的對流。

呈現熱輻射的實驗方案

材料：60w 白熾燈及燈座、溫度計（0～100℃）、教科書或小木板，自制的液體溫度計兩支、蠟燭、紙杯、文具小刀、毛筆、墨汁，白紙、黑紙，膠帶等。

方案1：觀察熱輻射現象

先觀察一下室內溫度計讀數圖7（a）；將白熾燈通電發(fā)光，手持溫度計將其液泡放到白熾燈側面不遠處，觀察溫度計讀數變化，如圖7（b）所示，此時溫度計讀數開始上升。這說明，由于空氣受熱后上升，空氣對流不會對溫度計的讀數有影響，而空氣是熱的不良導體，熱傳導也不起作用。

將溫度計放在白熾燈正下方不遠處，重復上面的實驗過程，觀察溫度計讀數變化，如圖7（c）所示?？捎^察到溫度計讀數同樣上升，由此進一步證實溫度計讀數的上升不是對流和熱傳導引起的。

用教科書或小木板擋在燈泡和溫度計間，如圖7（d）所示，重復上面實驗，觀察到溫度計讀數幾乎沒有上升。這表明，在上面兩步實驗中，熱是沿直線“射”到溫度計液泡上的。

圖7

方案2：黑白“外罩”吸熱比較

自制兩個液體溫度計，取兩個紙杯，如圖8（a）所示，用文具小刀將兩個紙杯的底部刻出一個大孔，將其中一個紙杯完全涂黑，如圖8（b）所示。將黑白兩個紙杯分別套在兩個液體溫度計上（相當于給兩個溫度計穿上黑白外罩）并調節(jié)液柱等高，將蠟燭放在兩個液體溫度計中間，如圖8（c）所示。點燃蠟燭，數分鐘后，可觀察到帶“黑外罩”的液體溫度計液柱上升，如圖8（d）所示。由此說明涂黑的紙杯比白色的紙杯吸熱的速度快，黑紙杯吸熱后溫度升高，導致其內部液體溫度計的液柱上升。

圖8

方案3：體感熱輻射吸收

將略比手掌大的白紙和黑紙用膠帶粘上紙杯，使其分別貼在兩只手掌上。將點燃的蠟燭或點亮的白熾燈置于兩手掌之間，如圖9所示。片刻貼黑紙的手掌會先感覺到熱。

圖9

以上三個實驗現象說明輻射也是熱傳遞的一種方式。熱輻射是以直線方向進行的；吸收輻射熱的本領與物體表面的顏色有關，顏色越深，吸收輻射熱越多，顏色越淺，吸收熱就越少。

上述介紹關于“熱的傳播”教學主題的3組實驗，9個方案，是圍繞“傳導”“對流”和“輻射”三種傳播方式設計的。其中圖1、圖5、圖6、圖8所示實驗屬于自制器具型“非常規(guī)”物理實驗，圖3、圖4、圖7所示實驗屬于自組物件型“非常規(guī)”物理實驗，圖2、圖9所示實驗屬于體感型“非常規(guī)”物理實驗，總體上體現了目的性、熟悉性、簡易性、參與性與關聯性的設計原則。

從“目的性原則”看，“熱的傳播”教學主題的教學目的不僅是認知方面的，還要通過 “非常規(guī)”物理實驗情境的創(chuàng)設，使學生認識到“熱的傳播”方式與日常生活和個人經驗的緊密聯系，在獲得知識意義的同時，得到情感、態(tài)度與價值觀的培育，受到創(chuàng)造性的熏陶。

實驗所用到的細棉線、蠟燭、鐵絲、細木棍、小魚、酒精燈、易拉罐、白熾燈、溫度計、教科書、紙杯、白紙和黑紙等都是學生熟悉的東西，在日常生活中或實驗室里容易找到，而且實驗方案簡單，操作方便，實驗器具的準備不需要太多時間。這些實驗器材中的大部分能長期保存，如圖1、圖5、圖6、圖8所示的實驗器具，以后再用時可以縮短準備的時間。所以，以上“非常規(guī)”物理實驗方案總體上體現了“熟悉性原則”與“簡易性原則”。

圖2和圖9所示的實驗方案是“體感”型“非常規(guī)”物理實驗，教學中適合學生參與體驗，不適合演示觀察。因此，實驗涉及的材料、物品應該在課前由教師或者讓學生準備好，實現全體學生參與體驗感受。其他幾個實驗雖然沒有特別強調設計、制備實驗和參與實施的主體，也沒有明確實驗實施的方式與場地，但由于它符合“非常規(guī)”物理實驗設計的“熟悉性原則”與“簡易性”原則，為體現“參與性原則”奠定了基礎。因此，教師可以按照自己對教學目標的理解和對教學過程的整體設計，適當安排由學生參與設計制作的以及由全體或多數學生參與體驗的實驗教學組織形式。例如，圖5和圖6所示的實驗方案，如果在課前安排學生準備好相關的材料與工具，那么就可以在課堂上組織學生進行現場制作；如果是學生課前在家庭進行制作，那么課堂上就可以現場組織學生對自制的實驗作品進行交流表演。這兩種方式的實驗教學，都會大大增強學生參與學習活動的積極性，而且在制作和交流過程中，教師與學生、學生與學生之間的相互作用與影響能得到充分體現，智慧、情感、態(tài)度與價值觀以及學生參與社會實踐的意識與能力會在互動過程中動態(tài)生成。

從“關聯性原則”角度看，上述9個實驗方案關聯的內容是比較廣泛的。在圖1所示實驗中，關聯了對“蠟燭”液體的創(chuàng)造性利用，學生對蠟燭和細線是熟悉的，但“蠟線”的簡易置備以及巧妙利用，學生感覺耳目一新。有意義的是，“蠟線”的彎曲與“熱傳導”的快慢建立了聯系，熟悉的情境中產生了“新知”。在圖2所示的實驗方案中，通過體驗確認金屬傳播比木頭等非金屬傳播速度快，關聯到廚房里的勺子等受熱廚具的手柄為什么是木質的。圖3所示的實驗方案關聯到生命體——小活魚，由對魚的生命的熱切關注而認識了“水”是熱的不良導體。如圖4所示的實驗方案是對一種化學藥品——高錳酸鉀液體顏色的利用，雖然不需要學生了解高錳酸鉀的化學性質，但在學生的經驗中存留了化學藥品在物理實驗中應用的事實：“紫紅色液體”自下而上、再自上而下的運動使學生深刻記憶“對流現象”。圖5、圖6所示的實驗方案中用了易拉罐，在了解氣體對流現象的同時，也對易拉罐材料的利用有了初步認識。如圖7所示的實驗方案也是在熟悉的情境中使學生產生 “新知”，了解了白熾燈沿直線傳播熱輻射，同時知道了太陽等熱源也產生熱輻射。而圖8和圖9所示的實驗方案不僅與學生日常生活緊密關聯，而且與學生經驗緊密聯系，黑白紙杯就好像把深淺兩種顏色的“外衣”分別“穿”在自制的液體溫度計上，加上膚覺的體驗，會更加確信“吸收輻射熱的本領與物體表面的顏色有關，顏色越深，吸收輻射熱越多，顏色越淺，吸收熱就越少”的結論，由此聯系到穿衣服顏色與季節(jié)的關系，即冬天適合穿深顏色衣服，夏天則適合穿淺顏色衣服?？傊?，每個實驗方案所關聯的內容雖有不同，但總體上關聯了學生的日常生活經驗，最為重要的是關聯了學生的情感需要以及對意義的收獲，認識到物理學知識與生活環(huán)境的廣泛聯系。