摘 要：安全性是實(shí)驗(yàn)的第一原則，根據(jù)當(dāng)前“做功改變內(nèi)能實(shí)驗(yàn)”存在的安全性不足等缺點(diǎn)，用抽濾瓶和真空表對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提高實(shí)驗(yàn)的安全性，也使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中打氣的程度更容易把握.

關(guān)鍵詞：安全性;做功;內(nèi)能

文章編號(hào)：1008-4134（2020）12-0038中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 教材中實(shí)驗(yàn)存在的不足

教材（以人教版為例）設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn).第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖1所示，用壓縮的方法點(diǎn)燃硝化棉，以此說(shuō)明“對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能增大”，但此實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)明顯.首先，實(shí)驗(yàn)成功率不高;其次，如果使用不當(dāng)，儀器會(huì)破裂，存在一定安全隱患.

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置圖如圖2所示，向瓶?jī)?nèi)打氣，最終塞子彈起，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，說(shuō)明“氣體對(duì)外做功時(shí)，內(nèi)能減小”.此實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)更明顯，首先，很難控制塞子究竟要塞多緊，塞得不緊，實(shí)驗(yàn)效果不明顯甚至沒(méi)現(xiàn)象，而塞得太緊，就要打很多氣塞子才會(huì)彈起，極具安全隱患.其次，即使瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，對(duì)于全班同學(xué)來(lái)說(shuō)，觀察起來(lái)也并不容易.再次，沒(méi)有直接顯示瓶?jī)?nèi)的溫度變化，學(xué)生理解起來(lái)較為困難，不利于主線知識(shí)的體現(xiàn).

教材中的實(shí)驗(yàn)，成功率不高、現(xiàn)象不明顯倒是其次，最大的問(wèn)題就是有安全隱患.

2 常見(jiàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在的不足

對(duì)于“做功改變內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)，目前有不少教師進(jìn)行了一系列的改進(jìn).但改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)大都采用普通玻璃瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：對(duì)玻璃瓶打氣，瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高，說(shuō)明“對(duì)氣體做功，氣體的內(nèi)能增大”，松開(kāi)閥門，氣體沖出玻璃瓶，對(duì)外做功，氣體溫度降低，說(shuō)明“氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減小”.

這種做法雖然直觀地呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但存在很大的安全隱患.普通的玻璃瓶對(duì)氣壓的耐受力有限，再加上無(wú)法直觀展示瓶?jī)?nèi)氣壓的變化情況，不知道具體打了多少空氣進(jìn)去，打氣少了瓶?jī)?nèi)溫度變化不明顯甚至沒(méi)變化，打氣多了，安全隱患巨大.因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的打氣環(huán)節(jié)很難把握，而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都籠罩在一種“危險(xiǎn)”的氛圍中.

3 基于安全性的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 改進(jìn)方法

針對(duì)普通玻璃瓶氣壓耐受力不足的缺點(diǎn)，采用高硼硅材質(zhì)的抽濾瓶（如圖3所示）代替普通的玻璃瓶.抽濾瓶又稱為布氏燒瓶（Büchne Flask），由1907年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Eduard Buchner發(fā)明.布氏燒瓶的壁比錐形瓶要厚很多，至少可承受一個(gè)大氣壓，側(cè)面有一個(gè)細(xì)頸可以與真空泵連接，以便在過(guò)濾溶液的時(shí)候給瓶?jī)?nèi)抽氣，加快過(guò)濾速度.因此，用抽濾瓶可以大大提高實(shí)驗(yàn)的安全性.

針對(duì)無(wú)法展示瓶?jī)?nèi)氣壓的缺點(diǎn)，增加一個(gè)真空表（如圖4所示）測(cè)量瓶?jī)?nèi)的氣壓，以便操作過(guò)程中把握打氣的程度，在安全的前提下，最大限度地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.抽濾瓶側(cè)面的細(xì)頸剛好可以用于連接真空表.

整個(gè)裝置主要由鐵架臺(tái)、抽濾瓶、電子溫度計(jì)（如圖5所示）、真空表、橡膠塞、打氣筒、金屬導(dǎo)管、塑料軟管等構(gòu)成.

根據(jù)電子溫度計(jì)探針的直徑以及金屬導(dǎo)管的直徑將軟質(zhì)橡膠塞打兩個(gè)孔（上下貫通），將電子溫度計(jì)的探針和金屬導(dǎo)管穿過(guò)橡膠塞.為了保證裝置的氣密性，在橡膠塞的側(cè)壁上涂適量凡士林，為避免打氣時(shí)塞子被高壓氣體頂起來(lái)，用細(xì)鐵絲將橡膠塞和抽濾瓶固定在一起，如圖6所示.將真空表的金屬緩沖管用鋼鋸截?cái)啵糜谶B接塑料軟管.

把抽濾瓶放在鐵架臺(tái)底座上，將鐵圈固定在鐵架臺(tái)的適當(dāng)高度，用塑料軟管將抽濾瓶側(cè)面的細(xì)頸與真空表的緩沖管連接起來(lái)，使其連通，橡膠塞上面的金屬導(dǎo)管也連接一個(gè)塑料導(dǎo)管，以便連接打氣筒，裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，實(shí)物圖如圖8所示.

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

先將整個(gè)裝置靜放一段時(shí)間，使瓶?jī)?nèi)的溫度與室溫相同，為17.6攝氏度.用打氣筒向抽濾瓶?jī)?nèi)慢慢打氣，發(fā)現(xiàn)電子溫度計(jì)的示數(shù)慢慢上升，待瓶?jī)?nèi)氣壓為1.5個(gè)大氣壓時(shí)，打氣速度放慢（控制抽濾瓶?jī)?nèi)的氣壓不超過(guò)1.8個(gè)大氣壓，以保證實(shí)驗(yàn)的安全性），電子溫度計(jì)的示數(shù)仍上升，最終示數(shù)為19.2攝氏度（如圖9所示）.說(shuō)明給瓶?jī)?nèi)氣體做功，氣體的內(nèi)能增大了.

然后將打氣筒拔掉，氣體瞬間沖出并對(duì)外做功，電子溫度計(jì)的示數(shù)也隨之慢慢下降，大概一分鐘后，降為17.7攝氏度（如圖10所示）.說(shuō)明瓶?jī)?nèi)氣體對(duì)外做功，氣體的內(nèi)能減小了.

3.3 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

由于瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高時(shí)會(huì)向周圍空氣散熱，因此剛開(kāi)始打氣時(shí)，力度可以大一些，使得瓶?jī)?nèi)氣體溫度迅速上升，以減小氣體散熱帶來(lái)的影響，待瓶?jī)?nèi)氣壓為1.5個(gè)大氣壓時(shí)，可適當(dāng)減小打氣的力度，由于瓶?jī)?nèi)氣體溫度上升的延遲效應(yīng)，電子溫度計(jì)的示數(shù)仍然會(huì)持續(xù)上升，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.千萬(wàn)不可為了追求溫度升高的速度而一味加大打氣的力度，瓶?jī)?nèi)氣壓盡量不要超過(guò)1.8個(gè)大氣壓，保證實(shí)驗(yàn)的安全性.

4 建議與展望

安全性是實(shí)驗(yàn)的第一原則，尤其是當(dāng)前中小學(xué)課堂實(shí)驗(yàn).因此，建議各位同行在以后進(jìn)行“做功改變內(nèi)能”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可參考本裝置去改進(jìn)，將安全放在第一位，同時(shí)本裝置也可以對(duì)打氣程度進(jìn)行更精準(zhǔn)的把握和控制，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯.

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（收稿日期：2020-03-11）