鄭克東 何季軍

摘?要：利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材，自制實(shí)驗(yàn)裝置，在觀察氣體做功的現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)引導(dǎo)幫助學(xué)生建立內(nèi)能概念，操作方便，教學(xué)效果好.

關(guān)鍵詞：內(nèi)能;熱傳遞;實(shí)驗(yàn);活動(dòng)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）02-0027?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：鄭克東（1978-），男，江蘇如東人，本科，中小學(xué)高級(jí)教師，如東縣教師發(fā)展中心研訓(xùn)員，研究方向：物理課程建設(shè)、教材教法、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究;

何季軍（1971-），男，江蘇南通人，本科，中小學(xué)高級(jí)教師，研究方向：初中物理教育教學(xué).

1?問(wèn)題提出

蘇科版初中物理教材第12章第2節(jié) “內(nèi)能”的新課教學(xué)引入分三步，第一步是用如圖1所示的對(duì)話激活學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)，揭示課題;第二步通過(guò)描述的方式引出“汽油、煤、天然氣等燃燒放熱，以及物體摩擦放熱，釋放的都是一種與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量，這種能量叫作內(nèi)能”;第三步用類比機(jī)械能的方法，得出內(nèi)能的概念：物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和.

內(nèi)能是物體內(nèi)部的能量形式，它抽象不具體，所以“如何讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到內(nèi)能的存在？”是建立內(nèi)能概念的關(guān)鍵問(wèn)題.而“如何讓學(xué)生認(rèn)識(shí)熱傳遞改變的是物體的內(nèi)能？”“熱量是內(nèi)能改變過(guò)程中轉(zhuǎn)移能量的多少？”則是學(xué)生理解內(nèi)能、建立熱量認(rèn)知的難點(diǎn).

2?問(wèn)題分析

認(rèn)識(shí)內(nèi)能存在的方法有兩種：一是轉(zhuǎn)化法，即通過(guò)把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，比如內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等等;二是溯本求源，結(jié)合能量概念理解，即依據(jù)“一個(gè)物體能夠?qū)α硪粋€(gè)物體做功，就表明這個(gè)物體具有能量”，以及分子動(dòng)理論，引導(dǎo)分析理解.實(shí)際教學(xué)中，很多教師會(huì)借助一個(gè)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立起內(nèi)能.有的用熱電偶，通過(guò)兩杯有溫差的水使燈泡發(fā)光，說(shuō)明內(nèi)能的存在;有的用礦泉水瓶，在礦泉水瓶?jī)?nèi)放入少許的酒精，通過(guò)扭礦泉水瓶身做功，擰松瓶蓋時(shí)的爆破聲及白霧，說(shuō)明內(nèi)能的存在.這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往能帶給學(xué)生較大的視覺(jué)震撼，可是現(xiàn)實(shí)的課堂教學(xué)測(cè)試告訴我們，學(xué)生對(duì)于“內(nèi)能是什么”還是比較茫然的.通過(guò)學(xué)情調(diào)研與認(rèn)知分析可以發(fā)現(xiàn)，主要原因是學(xué)生認(rèn)識(shí)能量，依據(jù)的是“一個(gè)物體能夠?qū)α硪粋€(gè)物體做功，就表明這個(gè)物體具有能量”，而上述的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，有兩點(diǎn)讓學(xué)生糾結(jié)：一是誰(shuí)對(duì)誰(shuí)做了功，比如熱電偶是水做功還是其他;扭礦泉水瓶，體現(xiàn)內(nèi)能的過(guò)程是手扭礦泉水瓶做功呢，還是礦泉水瓶?jī)?nèi)氣體對(duì)瓶蓋做功呢？正是這些困惑，混淆了學(xué)生思維.

3?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與使用

3.1?裝置制作

器材準(zhǔn)備：250mL錐形瓶、數(shù)顯溫度計(jì)（范圍：-50℃～70℃，誤差：±1℃，分辨率：0.1℃，工作電壓：1.5V）、液體壓強(qiáng)計(jì)用的U型管、氣管夾、乳膠管、液體壓強(qiáng)計(jì)用的T型三通導(dǎo)氣管、橡皮塞、30cm×5cm木板1塊、8cm×5cm木板1塊、熱熔膠、螺絲釘2個(gè)、紅墨水、清水等.

制作過(guò)程：（1）制作內(nèi)能感知端.在橡皮上打一個(gè)直徑為5mm的圓孔，同時(shí)插入T型三通導(dǎo)氣管和數(shù)顯溫度計(jì)的探頭，調(diào)整探頭的高度，使探頭與錐形瓶的內(nèi)壁不接觸，處于錐形瓶的中間，再用熱熔膠將孔隙填滿，并把溫度計(jì)的顯示屏固定在三通管的前面;

（2）內(nèi)能變化顯示器.以8cm×5cm木板為底座、30cm×5cm木板為U型管背景板，將兩塊木板按T字對(duì)接，用兩顆螺絲釘固定;再將U型管用卡子固定在背景板上.再在清水中滴入少許紅墨水，攪勻后將少許染色注入U(xiǎn)型管內(nèi);

（3）組裝（如圖2所示）.將內(nèi)能感知端，插入錐形瓶，再用乳膠管連接U型管的一端與三通導(dǎo)氣管的一端，調(diào)節(jié)U型兩管液面齊平，再用氣管夾夾住通氣口的乳膠管.

3.2?教學(xué)使用

3.2.1?引入內(nèi)能的概念

首先，將錐形瓶置于加熱杯墊（220V 30W）上，教師描述“同學(xué)們，老師能夠意念移物，請(qǐng)看！”接著，通過(guò)遙控插座的開(kāi)關(guān)使加熱杯墊加熱錐形瓶約20s，可以看到溫度計(jì)顯示屏上的溫度示數(shù)在上升，U型管中兩管出現(xiàn)明顯的高度差，隨著時(shí)間的推移，液柱在U型管開(kāi)口的那支管中被推升.學(xué)生觀察后，教師可用問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)內(nèi)能的存在：讓液柱移動(dòng)的施力物體是誰(shuí)（瓶?jī)?nèi)氣體）？它對(duì)水柱做功了嗎（做功了）？說(shuō)明了什么（瓶?jī)?nèi)氣體有能量）？再通過(guò)感知、觀察分子擴(kuò)散與溫度的實(shí)驗(yàn)引入內(nèi)能的概念.

3.2.2?建立“熱傳遞”“熱量”的概念

在討論出內(nèi)能與質(zhì)量、溫度等因素的關(guān)系后，可用該裝置設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)放性的探究活動(dòng)：“增加瓶?jī)?nèi)氣體的內(nèi)能”.圍繞裝置，活動(dòng)從討論兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)始，一是觀察什么現(xiàn)象知道內(nèi)能增加了？二是有哪些方法可以增加瓶?jī)?nèi)氣體的內(nèi)能？然后歸納增加瓶?jī)?nèi)氣體內(nèi)能的方法（火燒、熱水燙）的共同點(diǎn)是“接觸了不同溫度的物體而改變內(nèi)能”.再通過(guò)追問(wèn)“增加的內(nèi)能從哪里來(lái)？”引出“熱傳遞”的概念，結(jié)合學(xué)生所舉實(shí)例分析熱傳遞的實(shí)質(zhì)，得出熱量是“熱傳遞過(guò)程中轉(zhuǎn)移的能量”.

3.2.3?鞏固“內(nèi)能”“熱傳遞”的理解

課堂總結(jié)階段，首先是揭秘課堂引入時(shí)，實(shí)際在錐形瓶的底部有一個(gè)加熱杯墊，讓學(xué)生解釋其中的原理.然后，關(guān)閉加熱杯墊，打開(kāi)氣管夾，錐形瓶?jī)?nèi)的氣體噴出，溫度計(jì)的顯示屏示數(shù)下降，U型管右側(cè)的液柱下降，并且會(huì)出現(xiàn)左側(cè)液柱上升，再下降直到兩側(cè)液面相平.最后，將錐形瓶放入冰水中，觀察溫度計(jì)示數(shù)及液柱的升降，再次說(shuō)明外界常溫的空氣是有內(nèi)能的，平時(shí)表現(xiàn)不出來(lái)，是因?yàn)闆](méi)有溫度差.

3.3?實(shí)驗(yàn)原理

加熱時(shí)，加熱杯墊將能量傳遞給錐形瓶，再傳遞給瓶?jī)?nèi)氣體，瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高，壓強(qiáng)增大，推動(dòng)U型管內(nèi)的液柱做功.

放氣時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減少溫度降低，同時(shí)瓶外空氣對(duì)U型管內(nèi)液柱做功，液柱下降，最后從導(dǎo)氣管進(jìn)入的空氣再對(duì)液柱做功，直至兩側(cè)液面相平.

放入冰水中時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣體溫度降低，壓強(qiáng)降低，瓶外空氣對(duì)U型管內(nèi)的液柱做功，液柱回流，說(shuō)明常溫下的氣體是有能量的.

3.4?注意事項(xiàng)

使用前，應(yīng)打開(kāi)氣管夾，用擠壓乳膠管的方法，使U型管左右兩側(cè)的液面相平;使用時(shí)，加熱速度不宜過(guò)快，防止管內(nèi)液柱會(huì)沖出管外;不使用時(shí)，為防止液柱溢出或回流進(jìn)錐形瓶，要打開(kāi)氣管夾，直至兩側(cè)液面相平后，再夾上.

3.5?實(shí)驗(yàn)評(píng)估

可以集中學(xué)生的觀察視線.將加熱杯墊隱藏于底板中，可以排除干擾，讓學(xué)生將觀察視線集中在瓶?jī)?nèi)氣體上，能夠很快地切入教學(xué)主題.

制作材料易獲得，組裝簡(jiǎn)單.本裝置所用器材易于獲得，如錐形瓶、U型管、橡皮塞、三通導(dǎo)氣管以及乳膠管等大多數(shù)是來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有器材，只有數(shù)字式溫度計(jì)需要購(gòu)買，其成本只有幾元錢.各部分組裝方便，只需要簡(jiǎn)單對(duì)接即可.

能夠直觀地看到氣體做功的現(xiàn)象.該裝置基于學(xué)生已學(xué)概念，由于液柱自身重力的影響，可以減緩氣體推動(dòng)液柱做功的過(guò)程，便于觀察現(xiàn)象，理解內(nèi)能的存在，認(rèn)識(shí)內(nèi)能的改變.

有助將內(nèi)能相關(guān)知識(shí)塊進(jìn)行串接.通過(guò)該裝置，在觀察“誰(shuí)對(duì)液柱做了功”中認(rèn)識(shí)“內(nèi)能的存在”、在“增加瓶?jī)?nèi)氣體的內(nèi)能”的探究中應(yīng)用“影響內(nèi)能大小的因素”、在尋找增加內(nèi)能方法的共同點(diǎn)中認(rèn)識(shí)“熱傳遞”及“熱量”，將四個(gè)知識(shí)塊進(jìn)行了有效串接.

初中物理，不少概念比較抽象，我們應(yīng)該根據(jù)不同的主題，開(kāi)發(fā)合適的實(shí)驗(yàn)，想辦法讓學(xué)生在“做一做”“看一看”“想一想”的活動(dòng)中體驗(yàn)，在體驗(yàn)中激活原有認(rèn)知，建構(gòu)新知.開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該選材簡(jiǎn)單、與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)、現(xiàn)象直觀，而且能夠一個(gè)實(shí)驗(yàn)分層次多次使用，更好地為學(xué)生的理解助力.

參考文獻(xiàn)：

[1]黃建林， 朱春鳳. “高見(jiàn)度”氣體做功與內(nèi)能變化的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 中學(xué)物理：初中版，2017，35（04）：38-41.

[2]周小奮.芻議“內(nèi)能 熱傳遞”一課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（13）：5-7.

[3]雷宏.兩個(gè)“內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2012，29（01）：23-24.

[4]鄭克東.活動(dòng)：初中物理概念教學(xué)設(shè)計(jì)的有效載體——以蘇科版《電流的磁場(chǎng)》為例[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2019（Z1）：78-81.

（收稿日期：2019-09-21）