书城科普读物动手做实验丛书--热学实验改进设计实践
33498200000011

第11章 温度、热量与比热实验的操作与改进(1)

空气温度计应用五则

空气温度计制做方法

用试管、橡皮塞、弯玻璃管按图1组装,在弯管中装入适量红墨水就成为一个空气温度计。

试管受热内部空气膨胀则A端液面下降,B端升高,两端高度差越大,则说明管内外空气温度差值越大。如试管遇冷过程与上述相反。

空气温度计的应用

河北省蔚县第一中学李文玉、李春萱老师介绍了这一设计的五种应用:

(1)液体蒸发时温度降低的实验用酒精直接涂在试管外,则A端红水升高,说明液体蒸发时液体温度降低。

(2)做功可产生热的实验

用紧固螺丝将图2中装置固定在桌边缘,用绳子将铜管缠绕一圈,然后用手拉动绳子则可明显看到红水向B端移动,说明做功可改变物质的内能。这样做可见度大。

(3)热辐射的实验此实验比较不同物体表面接受辐射热不同。用较大试管做成空气温度计,在一支外边涂黑且表面粗糙,另一支外部涂白且表面光滑。

实验方法:演示时先用铁架台把两只空气温度计支起来,然后将一块加热的金属块放在两支空气温度计中间。很快会观察到表面黑色粗糙的空气温度计红水向B端移动,另一支几乎不动。说明表面白色光亮的物体不是吸收辐射热,而表面黑色粗糙的物体易吸收辐射热。

(4)空气热膨胀实验

用手直接握住空气温度计的试管,因手的温度高于管内空气温度,管内空气吸热膨胀则红水向B端移动。

(5)水是热的不良导体的实验

实验装置:用两个直径大的无底试管、橡胶塞、胶管按图4组装而成。

演示方法:用铁架台支起甲管并把空气温度计放入里边,用试管夹夹住乙管倒入适量水,用酒精灯烧乙管水面部分,当乙管表面部分水沸腾时空气温度计中红水无变化,说明水是热的不良导体。从上边几个实验可知,应用空气温度计做演示实验,操作方便,可见度大,演示效果较好。

演示用酒精温度计

在中学物理教学中,通常采用玻璃直杆酒精(或水银)温度计,由于这种温度计刻度细密,可见度小,所以一些热学演示实验的直观效果较差。杨进华、张以芳老师给酒精温度计装上了一块透明的分度片(见图5),并做幻灯放映,全班同学都可以清楚的从屏幕上读出温度计的示数,效果较好。可用于中学课本中各个需要测量温度的演示实验。现介绍如下:

仪器制作

把酒精温度计放在透明片(做幻灯片用的透明片即可)上,再将透明片对折后用透明胶粘住,再用针线缝住,并用墨汁将温度汁的原分度描出即成。应该注意的是,为了使光线能够透过温度计把红色液柱映到屏幕上,以便从它的液面的位置读出温度计的示数,必须使酒精温度计不透光的一侧挨住透明片的对折线。在实验中,如果发现屏幕上读数清晰,惟独不见红色液柱,则把酒精温度计相对于透明片作适当旋转即可使红色液柱映出。对于所装透明片的长度,可根据待测温度所在的范围加以确定。此外还要注意,酒精温度计的误差较大,实验前应进行校对,方法是将透明片沿酒精温度计作适当推移,使其示数在待测温度的附近与标准温度计的示数相符。我们在实验中是以水银温度计为准,把它们一同置于沸水或正在熔解的萘中进行校对的。

演示方法

这里仅介绍幻灯放映法,如图6所示,只要把演示用酒精温度计放在凸透镜的焦距与二倍焦距之间一个适当的地方,就能在像屏上得到它的一个放大的实像(此像是倒立的,可事先给同学讲明)。像屏可利用教室的墙壁来做。

应用举例

(1)利用演示用酒精温度计,对萘(晶体)跟松香(非晶体)的熔解和凝固的演示实验可以同时进行(装置见图7,图中没有画出对温度计进行幻灯放映或投影放大的情况),使我们能够对晶体和非晶体在熔解和凝固时温度变化的规律进行比较。这样既节省时间,又能给学生留下比分别演示时更为深刻的印象。

(2)把演示用酒精温度计和气压计等安装为如图8所示的装置,演示沸点跟气压的关系,直观性强。图中没有画出做幻灯放映投影放大的情况。铁夹2紧压在皮塞上方,是专为防止皮塞上冲设置的。实验时先不接气筒,把烧瓶中的水烧开,观察水在大气压下的沸点,再接好打气筒,并打气可以看到烧瓶中的气压增大,水的温度上升已超过原来的沸点,但并不沸腾。我们在实验中曾经使烧瓶内的压强高出大气压30厘米高汞柱,与此相对应,水的温度达到104℃时沸腾。这正表明了沸点随气压的增大而升高。然后停止加热,把打气筒改接(应先将橡皮管1折叠一下夹住)为抽气筒,并抽气,即可看出烧瓶中的气压减小,但同时水又重新沸腾起来,虽然温度计显示出水的温度已经下降。这正表明沸点随气压的减小而降低。如不抽气,则沸腾现象即消失,再抽气,则沸腾现象又出现,但同时可以看到烧瓶中的气压和水的温度又都下降了,如此可以反复多次,直到80℃左右我们还在实验中看到了沸腾现象,这时烧瓶中的压强约低于大气压35厘米高汞柱。此实验现象明显,可见度大,直观性强。应注意的是,实验完后,必须缓慢地使气体进入气压计,以免水银冲出。

简易量热器

农村中学,特别是边远的山村中学,教学条件较差,根据这种情况,湖南省煤勘一队子校黄雪容老师自制了一批简易量热器,可供每两个学生一组开设这个实验步骤,既帮助他们掌握了这个实验原理、实验仪器、实验步骤,又可以通过误差的分析,复习了热传递知识,同时,还为学校节省了一点经费。

内外筒用罐头瓶或饮料瓶和保温瓶盖制作。

用钢锯或划玻璃的小刀把一个空罐头瓶距底部8cm处锯掉,瓶身即为量热品的外筒,如没有空罐头瓶,就用一个125升装的空饮料瓶距底部8cm处剪掉,底部可作为量热器的外筒。小筒就用热水瓶盖做成即可。

大小筒均用竹筒做成,以竹节为底(当然大、小筒的竹节直径要不一样),以木板为量热器的盖子(直径与量热器的外筒直径一样大),在盖中央钻一个9mm小孔放温度计,在离圆心2cm处钻一个3mm的小孔放搅拌器,搅拌器用直径为2cm左右的螺纹钢筋代替,每一个金属体长为2cm;也可以用铁丝扭紧成小铁丝柱体。这样,一个简易量热器就制成了。

比热实验的改进

比热的概念是初中物理的重点内容。这个概念学生是不容易掌握的,教师必须通过实验手段才能突破这个难点。为了使实验更直观,效果更好些,江西省南康县赤土中学蓝善语老师改用了如下的实验装置进行演示。

A是口径约05厘米的玻璃管,在酒精灯下弯曲而成的两个形状完全相同的容器,内装等量的红色水。弯曲管的规格如图11所示(单位厘米)。B是有孔的橡皮塞,弯曲管插入有孔的橡皮塞中。C是两根规格完全相同的试管。D是玻璃缸。E是硬纸板,比玻璃缸口稍大,中间钻两个圆孔,两圆孔之间的距离约3厘米,孔径要与试管外径相适应,F是两只同样的烧杯。

演示方法

把热水(1000克)倒入玻璃缸里,在一个烧杯里装100克水,在另一个烧杯里装100克煤油,把两个烧杯同时放入热水里。

用硬纸板盖住玻璃缸的缸口。把两个试管同时插入硬纸板的圆孔里,使一个试管浸入煤油里,另一个试管插入水里,两者浸入的深度要相等。结果两根弯曲玻璃管里的水面都上升,但是上升的高度不相等:插在煤油里的弯曲管里的水面升得高些,在另一根弯曲管里的水面升得低些。

现象分析

在这一演示中,插在煤油里的弯曲管里的水面升得高些,说明在两试管封闭着的质量相等的同种气体受热后膨胀的体积不相同,浸在煤油里的试管里的气体膨胀更多,可见煤油的温度升得更高些。由此可得出这样的结论:质量相等的不同物质(煤油和水都是100克)吸收相等的热量(两者同时放在同一缸热水里)后,它们升高的温度不相等(煤油升高的温度比水多些)。也就是说,要让它们升高相等的温度,它们需要吸收的热量是不相等的(煤油需要吸收的热量比水少些)。从而引出比热的概念。

通过演示,使学生进一步认识到比热是物质本身的一种特性,不同的物质的比热是不相同的。

比热概念引入演示仪的改进

初中物理教学比热的实验过程是这样的:将两个同样的烧杯里分别装上质量和温度都相同的水和煤油,用两个同样的酒精灯给它们加热,从水和煤油中的温度计上观察谁的温度升高得快,引入比热概念。由于实验仪器不易搬动,在讲台上做这个演示实验对温度观察的可见度太小,即使坐前排的学生也很难清楚读出温度值。学生只靠老师边做、边讲、边得出结论,从实验操作到得出结论都是老师一人全包。