DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)壓縮空氣做功

1、 壓縮空氣做功做功是改變物體內(nèi)能的一種方式 ,“壓縮空氣使硝化棉燃燒是做功改變物體內(nèi)能中經(jīng)典實(shí)驗(yàn) ,此實(shí)驗(yàn)操作簡便且耗時(shí)少 ,深受廣闊物理教師的喜愛。多年來 ,不少物理教師對此裝置進(jìn)行改進(jìn)、改進(jìn)和自制 ,取得了優(yōu)秀的成果。 1 “壓縮空氣做功的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用力用力把活塞向下壓 ,蘸有乙醚的棉花球(紅磷粉末)燃燒起來。這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡單 ,現(xiàn)象明顯 ,課堂教學(xué)起來非常愉快和輕松 ,深受學(xué)生和教師的喜愛。實(shí)驗(yàn)儀器：硝化棉、酒精、打氣筒實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪斫夤εc能的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)原理：理解功與能的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)原理：氣體壓縮 ,外界對氣體做功 ,氣體的內(nèi)能增加 ,溫度升高實(shí)驗(yàn)步驟:用鑷子夾一些占過酒精的硝化棉放入打氣筒中 ,

2、硝化棉一定要蓬松且不要太多 ,迅速向下壓打氣筒 ,速度要快 ,如圖5-9所示。我們發(fā)現(xiàn)：硝化棉燃燒起來了。圖5-9 做功的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖總結(jié)：用手向下壓打氣筒的話 ,手對打氣筒有向下的壓力 ,這個(gè)壓力會與打氣筒內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生熱 ,但這并不是空氣溫度升高的主要原因 ,摩擦生熱可忽略不計(jì)。這個(gè)壓力所作的功產(chǎn)生的作用效果即：壓縮空氣 ,使其溫度升高 ,從而使硝化棉的溫度升高 ,直到到達(dá)硝化棉的燃燒點(diǎn)(硝化棉的燃燒點(diǎn)很低 ,使其燃燒起來。間接地證明了空氣的溫度升高 ,我們知道：溫度升高的話 ,那么物體的內(nèi)能一定增大 ,即空氣的內(nèi)能一定增加。從而也就說明：這個(gè)壓力所作的功升高了空氣的內(nèi)能 ,即做功可以改變物體

3、的內(nèi)能。實(shí)驗(yàn)過程伴隨著光、聲等現(xiàn)象 ,說明活塞對氣體做功使氣體內(nèi)能增加 ,溫度升高 ,到達(dá)乙醚(紅磷)的著火點(diǎn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)有時(shí)不一定能夠使硝化棉燃燒起來 ,主要原因如下：1)向下壓打氣筒的速度太慢；2放入打氣筒內(nèi)的硝化棉量太多；(3打氣筒的密閉性不高。2 “壓縮空氣做功的DIS實(shí)驗(yàn)雖然多年來 ,物理教師對“壓縮空氣體積做功的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和自制 ,但效果并沒有質(zhì)的提高 ,無法用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持實(shí)驗(yàn)結(jié)論哦。而DIS實(shí)驗(yàn)可以很好地彌補(bǔ)這一缺乏,顯示了自身的諸多優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)器材：注射器座架計(jì)算機(jī)溫度傳感器數(shù)據(jù)采集器實(shí)驗(yàn)原理：理解功與能的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)原理：氣體壓縮 ,外界對氣體做功 ,氣體的內(nèi)能增加 ,溫度升

4、高實(shí)驗(yàn)步驟：(1)首先按如圖5-10連接實(shí)驗(yàn)裝置 ,先將注射器固定在座架上 ,連接溫度傳感器數(shù)據(jù)采集器計(jì)算機(jī)。 圖5-10 壓縮空氣做功的DIS實(shí)驗(yàn)圖2翻開計(jì)算機(jī)中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室軟件 ,點(diǎn)擊“通用軟件翻開窗口后 ,對“傳感器、“圖像進(jìn)行設(shè)置；在圖線設(shè)置中 ,選擇“X軸為時(shí)間t ,起始時(shí)間為0；“y軸為溫度T ,起始溫度為0。(3)點(diǎn)擊“開始采集按鈕后 ,用力慢慢推壓打氣筒手柄并觀察圖像 ,擠壓到最大程度后放開手柄并觀察圖像。如圖23所示。圖5-11 壓縮空氣做功的DIS實(shí)驗(yàn)圖像圖(4) 觀察計(jì)算機(jī)上的圖像5-11 ,讓學(xué)生討論并分析實(shí)驗(yàn)圖像的規(guī)律 ,歸納出外界對氣體做功和氣體對外界做功兩個(gè)時(shí)間

5、段的溫度變化特點(diǎn) ,使學(xué)生認(rèn)識到做功可以改變物體的內(nèi)能-外界對氣體做功 ,氣體內(nèi)能增大；氣體對外界做功 ,氣體內(nèi)能減少。 5 讓學(xué)生討論并解釋“做功可以改變物體的內(nèi)能的原因?？偨Y(jié)：用力慢慢推壓打氣筒手柄 ,手對打氣筒有向下的壓力 ,這個(gè)壓力會與打氣筒內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生熱 ,但這并不是空氣溫度升高的主要原因 ,摩擦生熱可忽略不計(jì)。隨著擠壓的進(jìn)行 ,計(jì)算機(jī)視屏上的溫度逐漸上升 ,放開手柄后 ,視屏上的溫度逐漸下降。說明手柄壓縮空氣可使氣體溫度上升 ,其原因是手柄的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能 ,氣體的內(nèi)能增加 ,氣體的溫度上升 ,即外界對氣體做功可以使氣體內(nèi)能增加；而放開手柄之后 ,圖像上的溫度下降 ,其原因

6、是手柄放開后 ,氣體使手柄緩慢向后退 ,氣體的內(nèi)能為手柄的機(jī)械能 ,說明氣體對外界做功 ,氣體的內(nèi)能減少。“做功可以改變物體的內(nèi)能的實(shí)質(zhì)是：機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。3.“壓縮空氣做功的DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比照通過比照DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,它們兩者都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。壓縮氣體的DIS實(shí)驗(yàn)優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方面：(1) 環(huán)保壓縮氣體的DIS實(shí)驗(yàn)不會污染環(huán)境 ,且不會浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)原料。然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)每次實(shí)驗(yàn)都要消耗硝化棉、酒精等材料并且排放硝化棉燃燒后形成的有毒廢氣及酒精蒸氣 ,不利于環(huán)保51 董子貴.自制簡易做功改變內(nèi)能實(shí)驗(yàn)器J.物理通報(bào),2012(10):126-127.51。(2) 能夠觀察溫

7、度變化的幅度在DIS實(shí)驗(yàn)中 ,學(xué)生可以觀察空氣溫度的圖像來觀察被壓縮氣體的溫度變化 ,不僅直觀性好 ,而且大大提高了可見度 ,加深了學(xué)生的印象及對知識點(diǎn)的理解52 宋艷芝,劉秀清.做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)J.物理通報(bào),2007(7):45-46.。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是通過硝化棉的燃燒從而間接反映空氣溫度的增大 ,并不能反映溫度變化的幅度。3有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持實(shí)驗(yàn)結(jié)論從壓縮氣體的DIS實(shí)驗(yàn)中的圖像上 ,可以看到空氣溫度的數(shù)值變化 ,有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持空氣的內(nèi)能增大；而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過硝化棉的燃燒支持空氣溫度的升高 ,沒有測量空氣溫度的數(shù)據(jù)變化 ,缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持空氣溫度的增大 ,也就沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持實(shí)驗(yàn)的

8、結(jié)論。(4) 培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析圖像的能力。壓縮氣體的DIS實(shí)驗(yàn)有空氣溫度變化的圖像 ,學(xué)生可以觀察并討論實(shí)驗(yàn)圖像 ,科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)論 ,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析圖像的能力；然而壓縮氣體的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來探究實(shí)驗(yàn)結(jié)論 ,并沒有實(shí)驗(yàn)圖像。壓縮氣體的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)于DIS實(shí)驗(yàn)的方面：（1） 視覺沖擊強(qiáng)烈傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用壓縮空氣使硝化棉燃燒 ,硝化棉燃燒的現(xiàn)象觀察明顯 ,給學(xué)生以直觀的視覺沖擊；而DIS實(shí)驗(yàn)采用壓縮空氣觀察圖像的方法 ,視覺沖擊沒有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來得更強(qiáng)烈。2操作方便簡單且省時(shí)間 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所需的器材少且操作簡單 ,實(shí)驗(yàn)耗時(shí)少 ,能夠很快地完成實(shí)驗(yàn)；相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)而言 ,DIS實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)器材多 ,連接實(shí)驗(yàn)儀器消耗時(shí)間多。3極強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)興趣傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中會使“硝化棉燃燒 ,而學(xué)生正處于初中階段 ,會對一切新奇的事物產(chǎn)生極大的實(shí)驗(yàn)興趣 ,因此 ,“硝化棉燃燒會帶給學(xué)生極強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)興趣；而壓縮空氣的DIS實(shí)驗(yàn)給學(xué)生所帶來的實(shí)驗(yàn)興趣沒有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所帶來的實(shí)驗(yàn)興趣大。4為“機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能的理解打下鋪墊傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示了壓縮空氣可以使“硝化棉燃燒 ,而“硝化棉燃燒必然說明了空氣內(nèi)能的增大。壓縮空氣是通過手柄向下運(yùn)動產(chǎn)生的 ,會使手柄運(yùn)動速度增大 ,也就是手柄的機(jī)械能 ,可以理解為：手柄的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能 ,使學(xué)生理解機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能。5