对“晶体和非晶体导热性能演示实验”的改进
在高一物理“晶体和非晶体”这一节中,需要做云母片和玻璃片的导热性能的演示实验。教学实践表明,按照课本所述方法进行实验,效果极差,严重影响教学顺利进行。
按照课本上的方法进行实验,主要存在以下缺陷。(1)对云母片和玻璃片要涂上一层薄而匀的石蜡,操作起来很麻烦,而要达到真正薄而匀实际上很难做得到;(2)用烧热的钢针做热源,一是由于散热现象不可避免,钢针的温度很快下降,二是钢针与云母片和玻璃片的接触面很小,这两个原因产生的后果是,形成的蜡斑很小而且熔融的石蜡很快回流凝固,实验后几乎看不出明显的蜡斑;(3)一手拿钢针,一手持云母片或玻璃片进行操作演示,手极易抖动或晃动,使得受热点不停移位,得到的蜡斑形状极不规则(不是椭圆形或圆形),而且这样操作,即使得到椭圆形和圆形蜡斑,也不能使学生信服;(4)石蜡、云母片和玻璃片三者的颜色差不多,因此形成的蜡斑和背景间的对比度极小,学生用眼直接观察或放到投影仪上投影到银幕上显示,蜡斑不明显。
广东东莞实验中学章剑和老师经过多次试验和反复研究,发现要使该实验成功,教学效果显着,必须做到以下三点:
(1)在云母片和玻璃片上涂蜡要薄而匀,为使实验效果明显,涂的蜡层应是深颜色的。
(2)热源要能相对较长时间维持一定的温度且发热均衡,最好热源与云母片和玻璃片的接触面稍大一些。
(3)在实验操作时,热源在接触云母片和玻璃片涂蜡的反面时,要平稳,不能有晃动,抖动等,必须保持受热点位置恒定。
针对课本上演示实验的缺陷和该实验的关键点,作了如下的改进。
(1)不在云母片和玻璃片上涂白色的石蜡,而改成涂抹一层蓝色的“打字蜡纸改正液”,待片刻风干后即在云母片和玻璃片上得到一薄蜡层,真正可做到薄而匀,而且涂起来很简便,特别是“打字蜡纸改正液”呈蓝色,而受热后形成的蜡斑为透明白色,对比非常明显。
(2)废弃钢针和酒精灯,改用15W内热式电铬铁,去掉烙铁前部的尖头,用剩下的平直头作为热源,通电半分钟后就行。电烙铁热效率高,热得快且温度高而均衡,烙铁的平直头是一个规则的圆面,因此用它作为该实验的热源极佳。
(3)为克服操作时手的抖动或晃动,保证实验的成功且使学生信服,特设计制作了“晶体和非晶体导热性能实验仪”,如图1所示为其平面图。其中1为放置云母片或玻璃片的嵌缝,2为去掉尖头的电烙铁,3为烙铁电源线,4为烙铁固定架。
实验演示程序:
(1)向学生出示云母片和玻璃片;(2)在云母片和玻璃片的一面涂上一层蓝色的“打字蜡纸改正液”。注意,无需涂满整个表面,只涂表面的三分之二即可。
(3)片刻后涂层风干,再出示涂蜡后的云母片和玻璃片,让学生观察云母片和玻璃片受热前的背景。如有投影仪,最好投影给全班学生观察。
(4)将云母片涂蜡层朝上水平插进实验仪的嵌缝,云母片涂蜡层反面正好紧贴烙铁平直头,将电烙铁的电源插头接通电源约半分钟即拔下。从实验仪的嵌缝中取下云母片让学生观察或投影到银幕上,云母片上形成一个规则的白色透明椭圆形蜡斑。
(5)接下来将玻璃片插进实验仪的嵌缝,重复第4步操作程序,观察到玻璃片上形成了一个规则的白色透明圆形蜡斑。
改进后的晶体和非晶体导热性能演示实验简明易做,特别是教学实践中使用设计制作的“晶体和非晶体导热性能实验仪”,成功率百分之百,而且和投影仪配合使用,教学效果极佳,深受师生欢迎。
用感热纸显示晶体与非晶体的导热特性
高中物理以导热性为例,通过实验从热学性质方面反映了晶体的各向异性和非晶体的各向同性。教材上采用的实验方法是,用烧热的钢针的针尖接触云母片或玻璃片,使接触点周围的石蜡薄层熔化成不同图形,从而反映晶体与非晶体的导热特性和差别。这一实验方法虽然比较简便,但由于石蜡薄层的固态或液态都呈透明状,必须仔细观察才能看清熔化了的石蜡图形,为了提高该实验的可见度,江西新干县教研室刘则平老师介绍可以用感热纸代替石蜡,这样实验效果较为理想。
在一烧杯中装入碘化钾溶液,另一烧杯盛着配好的二氯化汞饱和溶液(应注意此液有毒)。用滴管将二氯化汞饱和溶液逐滴加到碘化钾中,每加一滴就有黄色沉淀析出,经振荡后立即溶解。继续滴入,继续振荡一直到沉淀不能溶解为止。所得透明溶液用三倍水稀释后,再注入硝酸银溶液,就发生黄色沉淀。将此沉淀过滤,用蒸馏水洗涤,把沉淀收集起来和稀的浆糊混合后,涂在很薄的白纸上,就制成了浅黄色的感热纸。感热纸什么位置受热,什么位置就会由浅黄色变成深黄色,冷却后又成为浅黄色。把感热纸贴住云母片和玻璃片的一面,另一面不贴,以便于区分是何物质。
实验时用烧热的钢针的针尖去接触云母片,能清楚地看到接触周围的感热纸由浅黄色变成深黄色,形成一个橙色的椭圆图案,再用玻璃片代替云母片重做上面的实验,接触点周围的感热纸呈现一个橙色的圆斑。
表现液体表面张力的几个有趣实验
液体表面存在着表面张力,犹如橡皮膜一样,有使表面积收缩到最小的趋势,液体所具有的这种性质,在我们观察日常生活等各种现象时,随时都能遇到,西北国棉四厂中学孙毓民、西安师专物理系胡应东老师分析了几个有趣的实验:
(1)浮游在水面上的物体相互“吸引”。
取一玻璃水槽,给水槽内盛以新鲜自来水,在水面上放置两个漂浮的硬币,然后用细玻璃棒轻轻拨动其中一个硬币,使其与另一个硬币靠近,当其间距离大约一厘米时,会观察到这样一种有趣现象——两个硬币急剧相吸靠在一起。再用玻璃棒轻轻拨开靠在一起的硬币,只要使其距离保持在约一厘米之内,还会出现上述现象。用两个塑料瓶盖代替硬币,也会观察到同样现象。这是为什么呢?
硬币经常和手接触,表面有一层油脂,使水对它不浸润,当放入水面时,它的周界上受到水的表面张力,表面张力和浮力的合力方向竖直向上和重力在竖直方向上构成一对平衡力,使硬币能漂浮在水面上静止不动,如图2所示:如果同时漂浮在水面上有两个硬币,且二者相距较近,它们在水面上的情形如图3所示。两个硬币之间的水面A呈凸曲面状。由于液体表面存在着表面张力,它有使液体表面积收缩到最小的趋势。所以水面A将向下收缩,表面变得趋于水平面。因为表面张力的方向总是沿着液面的切线方向,因此水面A上的表面张力方向趋于水平方向。此时两个硬币在水平方向上各自受力不再是平衡的了,图3中左边硬币在水平方向上所受水平表面张力的合力指向右;右边硬币在水平方向上所受水的表面张力的合力指向左,所以我们观察到两个硬币相互“吸引”的现象。
塑料对水的吸附力较强,使水对它浸润。试把一个塑料瓶盖放入水面上,其周界上受到水的表面张力,其合力方向竖直向下,与重力及浮力在竖直方向上构成平衡力,使塑料瓶盖能漂浮在水面静止不动,如图4所示。如果同时在水面上漂浮两个塑料瓶盖,且二者相距较近时,它们在水面上的情形如图5所示。两个塑料瓶盖之间的水面A′呈凹曲面形,在水表面张力作用下凹曲面形水面A′将向上趋于水平面,它所受的表面张力随之趋于水平方向,使塑料瓶盖在水平方向上受力不再平衡。如图5中,左边的水平方向上所受合力指向右;右边的在水平方向所受合力指向左。所以我们也能观察到塑料盖相互“吸引”的现象。
(2)浮游在水面上的物体又能相互“排斥”。
给盛有新自来水的玻璃槽中放置一个漂浮的硬币和一个浮游的塑料瓶盖,然后用细玻璃棒轻拨硬币(或塑料瓶盖),使其靠近塑料瓶盖(或硬币),在操作过程中,我们会感觉到硬币或塑料瓶盖有推斥力存在。停止玻璃棒的作用,会观察到它们迅速分离的现象。如果用一个除去表层上油脂层的硬币代替塑料瓶盖,也能观察到彼此相互“排斥”的分离现象。这又是为什么呢?