基于安全性的“做功改变内能”实验改进
时间：2021-02-04 18:01:51 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：安全性是实验的第一原则，根据当前“做功改变内能实验”存在的安全性不足等缺点，用抽滤瓶和真空表对其进行改进，提高实验的安全性，也使得实验过程中打气的程度更容易把握.
关键词：安全性;做功;内能
文章编号：1008-4134（2020）12-0038中图分类号：G633.7文献标识码：B
1 教材中实验存在的不足
教材（以人教版为例）设计了两个实验.第一个实验的装置如图1所示，用压缩的方法点燃硝化棉，以此说明“对气体做功，气体的内能增大”，但此实验缺点明显.首先，实验成功率不高;其次，如果使用不當，仪器会破裂，存在一定安全隐患.
第二个实验的装置图如图2所示，向瓶内打气，最终塞子弹起，瓶内出现白雾，说明“气体对外做功时，内能减小”.此实验缺点更明显，首先，很难控制塞子究竟要塞多紧，塞得不紧，实验效果不明显甚至没现象，而塞得太紧，就要打很多气塞子才会弹起，极具安全隐患.其次，即使瓶内出现白雾，对于全班同学来说，观察起来也并不容易.再次，没有直接显示瓶内的温度变化，学生理解起来较为困难，不利于主线知识的体现.
教材中的实验，成功率不高、现象不明显倒是其次，最大的问题就是有安全隐患.
2 常见改进实验存在的不足
对于“做功改变内能”实验，目前有不少教师进行了一系列的改进.但改进后的实验大都采用普通玻璃瓶进行实验：对玻璃瓶打气，瓶内气体温度升高，说明“对气体做功，气体的内能增大”，松开阀门，气体冲出玻璃瓶，对外做功，气体温度降低，说明“气体对外做功，内能减小”.
这种做法虽然直观地呈现了实验现象，但存在很大的安全隐患.普通的玻璃瓶对气压的耐受力有限，再加上无法直观展示瓶内气压的变化情况，不知道具体打了多少空气进去，打气少了瓶内温度变化不明显甚至没变化，打气多了，安全隐患巨大.因此，实验过程中的打气环节很难把握，而且整个实验过程都笼罩在一种“危险”的氛围中.
3 基于安全性的实验改进
3.1 改进方法
针对普通玻璃瓶气压耐受力不足的缺点，采用高硼硅材质的抽滤瓶（如图3所示）代替普通的玻璃瓶.抽滤瓶又称为布氏烧瓶（Büchne Flask），由1907年诺贝尔化学奖获得者Eduard Buchner发明.布氏烧瓶的壁比锥形瓶要厚很多，至少可承受一个大气压，侧面有一个细颈可以与真空泵连接，以便在过滤溶液的时候给瓶内抽气，加快过滤速度.因此，用抽滤瓶可以大大提高实验的安全性.
针对无法展示瓶内气压的缺点，增加一个真空表（如图4所示）测量瓶内的气压，以便操作过程中把握打气的程度，在安全的前提下，最大限度地优化实验现象.抽滤瓶侧面的细颈刚好可以用于连接真空表.
整个装置主要由铁架台、抽滤瓶、电子温度计（如图5所示）、真空表、橡胶塞、打气筒、金属导管、塑料软管等构成.
根据电子温度计探针的直径以及金属导管的直径将软质橡胶塞打两个孔（上下贯通），将电子温度计的探针和金属导管穿过橡胶塞.为了保证装置的气密性，在橡胶塞的侧壁上涂适量凡士林，为避免打气时塞子被高压气体顶起来，用细铁丝将橡胶塞和抽滤瓶固定在一起，如图6所示.将真空表的金属缓冲管用钢锯截断，用于连接塑料软管.
把抽滤瓶放在铁架台底座上，将铁圈固定在铁架台的适当高度，用塑料软管将抽滤瓶侧面的细颈与真空表的缓冲管连接起来，使其连通，橡胶塞上面的金属导管也连接一个塑料导管，以便连接打气筒，装置结构如图7所示，实物图如图8所示.
3.2 实验过程
先将整个装置静放一段时间，使瓶内的温度与室温相同，为17.6摄氏度.用打气筒向抽滤瓶内慢慢打气，发现电子温度计的示数慢慢上升，待瓶内气压为1.5个大气压时，打气速度放慢（控制抽滤瓶内的气压不超过1.8个大气压，以保证实验的安全性），电子温度计的示数仍上升，最终示数为19.2摄氏度（如图9所示）.说明给瓶内气体做功，气体的内能增大了.
然后将打气筒拔掉，气体瞬间冲出并对外做功，电子温度计的示数也随之慢慢下降，大概一分钟后，降为17.7摄氏度（如图10所示）.说明瓶内气体对外做功，气体的内能减小了.
3.3 实验注意事项
由于瓶内气体温度升高时会向周围空气散热，因此刚开始打气时，力度可以大一些，使得瓶内气体温度迅速上升，以减小气体散热带来的影响，待瓶内气压为1.5个大气压时，可适当减小打气的力度，由于瓶内气体温度上升的延迟效应，电子温度计的示数仍然会持续上升，使实验现象明显.千万不可为了追求温度升高的速度而一味加大打气的力度，瓶内气压尽量不要超过1.8个大气压，保证实验的安全性.
4 建议与展望
安全性是实验的第一原则，尤其是当前中小学课堂实验.因此，建议各位同行在以后进行“做功改变内能”的实验时，可参考本装置去改进，将安全放在第一位，同时本装置也可以对打气程度进行更精准的把握和控制，使实验现象更明显.
参考文献：
[1]张皓洋.“做功改变物体内能”的实验装置[J].发明与创新（中学生），2020（01）：30-31.
[2]张灵丽，黄丹.浅谈基于真实操作情境下的实验设计原则[J].化学教与学，2019（10）：85-88.
[3]任少铎.对液体沸点与气压关系演示实验的改进[J].物理教学探讨，2019，37（06）：45-46+48.
[4]陈涛，刘全民，刘东利.“做功改变物体内能”改进实验[J].中学物理，2019，37（06）：30-32.
[5]薛金玲. 再生水吸入暴露的风险因子鉴定和健康危害研究[D].北京：清华大学，2016.
[6]张军民，蔡旺.“空气压缩引火仪”实验改进[J].中学物理，2020，38（06）：20-22.
[7]郑克东，何季军.自制实验装置 突破“内能”教学难点[J].中学物理，2020，38（02）：27-28.
[8]周吉平.自是简易教具 突破教学难点[J].中学物理，2018，36（18）：24-25.
（收稿日期：2020-03-11）
