书城科普读物动手做实验丛书--热学实验改进设计实践
33498200000014

第14章 内能改变与热机实验的操作与改进(2)

(二)材料及制作取自行车内胎气门一套。用钻在1.25升无色塑料饮料瓶底钻一直径略大于气门身直径(约0.8厘米)的孔。把气门放入瓶内,让气门身从瓶底的孔穿出,将其固定在瓶底,插入气门芯,拧上压气螺母即可使用。

实验步骤

(1)从瓶口滴入几滴酒精,用橡皮塞将瓶口塞严,摇动瓶子使酒精蒸发。

(2)左手持瓶(瓶口不可指向学生和门窗玻璃),右手用自行车打气筒通过气门芯向瓶内打气。当瓶内气压达到一定大小时,橡皮塞就会冲出,发出“砰”的响声,同时瓶内出现非常明显的白雾。这表明瓶中的压缩空气对塞子做功是消耗了自身的内能,温度降低,空气中的酒精和水蒸气就液化成微小的液滴悬浮在空气中而形成白雾。

(三)将三、四根火柴的“药头”剪下,放在试管底部,用橡胶塞将试管口塞紧。用酒精灯对试管的底部加热,约1分钟,只见试管里火光一闪,随即听到“噗”的一声,橡胶塞犹如炮弹一样从管口射出,射程可达六七米。

此实验简单易做,占用时间少,而且还为学生理解能的转化和守恒定律、内燃机的做功冲程增加了感性知识。

注意:

试管里的火柴头不能放多,以免试管爆炸伤人。

选用的试管不宜过大,最好选用配5号橡胶塞的试管,并将橡胶塞在试管口外的部分切掉。

以汽油代替乙醚做压缩空气点火实验

用汽油代替乙醚做压缩空气点火实验容易成功。其方法如下:

(1)先将活塞涂一层凡士林,然后把它放入筒内,用力猛压下去,放手后若活塞能弹回原来高度的三分之二,则说明漏气不大,否则说明漏气严重,应将活塞前的螺母拧紧一些,以减少漏气。

(2)在活塞上再涂上一层凡士林,然后把一小团棉花塞进前面的小孔,在棉花上滴适量的汽油,不要太湿,棉花的纤维应散开。

(3)把活塞放入筒内,用力猛压下去,即可看到汽油燃烧发光,亮度比乙醚强。

改变物体热能的方法中一个演示实验的改进

初中物理有一个演示气体膨胀做功热能减少的演示实验。原实验的装置如图10所示,在大试管中装一些水,管口用软木塞塞住,加热后水沸腾,水蒸气会把软木塞冲开,从而来说明水蒸气膨胀对软木塞做功,消耗了水蒸气的热能。浙江省慈溪市白沙镇中学庄新锋老师在课堂教学中做了几次这个实验,虽然实验是能完成的,但有一些不足之处。因为假如试管口中软木塞塞得过紧,做实验时需要较长的时间才能完成,影响了课堂教学时间,而且由于试管口是向上倾斜的,当软木塞冲开时会带着沸水一起飞溅出来,很不安全;如果塞得不紧,造成漏气现象,塞子冲不出来。为此浙江省慈溪市白沙镇中学庄新锋老师对该实验作了以下改进:

用一只250ml左右的烧瓶,橡皮塞,一根长约10cm外径5~7mm的空心玻璃管,一根能正好套住空心玻璃管长约4cm软胶管,其中一端用细线扎住封口。具体操作过程如下:把空心玻璃管紧密插入橡皮塞内,上端套上软胶管,在烧瓶内装约占烧瓶容积三分之一的沸水,橡皮塞塞住烧瓶口,放在酒精灯上加热。如图11装置。大约过1~3分钟,水蒸气会把玻璃管上端的软胶管冲高1米多。实验的现象相当明显,操作简单安全,而且又省时间。

压缩空气引火演示实验

做功可以产生热。初中物理用空气压缩引火仪来演示,既简单直观,又生动有趣。但在演示时常会出现把空气压缩引火仪的活塞压下后,玻璃筒内产生白烟,却不见浸有乙醚的棉团燃烧。究其原因,在压缩后筒内温度没有达到乙醚着火点。要保证实验成功,湖北省长阳县教学仪器站覃万科认为应特别注意以下几点:

调节空气压缩比

空气压缩比决定玻璃筒内的温升,压缩比越大,温升越大,压缩越费力。压缩比应根据环境温度确定。基本原则是压缩后玻璃筒内的温度不低于乙醚着火点(180℃)。演示时,参照附表调节活塞杆上部的螺旋垫圈高低,取得恰当的空气压缩气。

附表室温-空气压缩比室温10℃以下10~15℃20℃左右25℃以上空气压缩比9∶18∶17∶16∶1调整活塞松紧度

活塞太松会漏气,过紧滑动困难,松紧要适度。活塞的上下有两只螺帽,上面是固定螺帽,下面是调节螺帽。如果活塞太松就拧紧调节螺帽,使活塞变粗;太紧就适当拧松调节螺帽,使活塞变细,调整到符合要求为止。然后将凡士林涂在活塞四周,插入玻璃筒内上下往复推动几次,使凡士林均匀涂满玻璃筒内壁。防止漏气,减小摩擦。

控制乙醚用量

乙醚的沸点为34.6℃,在气温高的暑天,极易汽化掉,做演示时,棉球应稍大并多蘸些乙醚,若在寒天做演示,棉球则应取小些并少蘸一点乙醚,以减少蒸发而散失的热量,使得压缩后玻璃筒内空气有足够高的温度。

操作迅速果断

演示时,将乙醚棉球放入玻璃筒底后,迅速将活塞杆插入筒内一小段,然后用力果断地压下活塞,尽力使活塞压到底部。否则,时间一长,乙醚蒸发排出较多空气,使玻璃筒内缺氧,导致不发火。若要连续演示几次,每发火一次,必须用鼓气球驱出筒内废气。

用硝化棉做燃烧剂较乙醚容易成功。因为硝化棉的着火点比乙醚低,而且硝化棉是干燥的固体,不会液化和蒸发,不损失状态变化的热量,演示方法同乙醚一样,每次只需撕取2~3毫克一小片,燃烧后玻璃筒内没有白烟,不残存灰烬。

硝化棉制取亦很简单。将3体积浓硫酸慢慢倒入盛有1体积浓硝酸的烧杯中,用玻璃棒搅拌均匀,用温度计测量混液的温度,控制温度在30℃左右(把烧杯浸入接近30℃的冷水或温水中调节),放入适量的脱脂棉(以每20毫升混合液放入1克为宜),用玻璃棒不断搅拌,见有棕色气体冒出约15分钟后,从烧杯中取出脱脂棉,用清水洗净晾干即成。备用硝化棉应放入干燥器内保存。

内能做功实验的改进

初中物理“内能的利用”一节安排了“利用内能来做功”的实验。教材中实验是用橡皮塞将装水试管口密封,用酒精灯对水加热至沸腾。当管内水汽压强足够时,“砰”的一声将橡皮塞冲出,说明利用内能可以对橡皮塞做功。

此实验有两个不足:

(1)橡皮塞冲出时,也有高温水汽喷出。实验时尽管管口不朝向学生,由于水汽飞溅,对前排学生可造成事故和惊吓。

(2)内能做功只表现在橡皮塞冲出的刹那间,时间短,不便于学生边观察边思考和教师边演示边讲解。

改进后实验装置如图12所示。在橡皮塞中插入一根细玻璃管作为喷嘴,使水汽从喷嘴中喷出,吹动一个硬纸片作成的风轮(用蜡油浸一下,不易吸收水汽),从而说明利用内能可以对风轮做功。

用风轮转动代替橡皮塞冲出,既安全又有趣,还可长时间演示,效果较好。

气体膨胀做功使物体热能减少演示实验的改进

新编初中物理第二册第32页安排图3-5所示的演示实验的目的,是使学生清楚地看到试管中的水沸腾片刻后,水蒸气会把软木塞冲开,表明水蒸气气体膨胀时对软木塞做功;同时也应使学生直观地看水蒸气的“雾化”现象,说明水蒸气温度降低以致凝固成水,由此领会水蒸气冲开活塞是以消耗其本身的热能为代价的。但按课本图示的装置进行演示,只能看到前者,不能看到后者。因在加热过程中试管上部内壁已附上许多水珠而模糊不清,当软木塞被冲开时,无法看到水蒸气因膨胀做功而出现“雾化”现象。水蒸气温度降低,热能减少只能从推理得出,学生不能信服。

为使在演示中使学生既能看到“做功”又能看到“雾化”,宁波效实中学吴国伦、马培骏老师建议采用下列装置进行演示实验:

取内径约2厘米、长约16厘米带侧管的试管(又称带嘴试管)一个,在侧管上紧紧地装一塞子,并使侧管口的端面超出塞子约05厘米。在干净明亮的容量为60毫升的无色透明的试剂瓶内放入浓度为95%以上的酒精3~5滴,将此瓶紧紧地装在侧管塞子上,在试管中放入约13~12的水,将软木塞松紧适当地塞在试管口上(必要时可在软木塞周围涂些凡士林),然后按图13所示那样把试管倾斜安装在支架上。

在对水加热时,为了能通过试管及试剂瓶中的气体对流将热量传递给试剂瓶中的酒精,使其汽化,酒精灯火焰宜用小火,不能太猛。加热使水沸腾,在软木塞冲开前,试剂瓶仍是无色透明的,但当软木塞被水蒸气冲出的一瞬间,试剂瓶中立即出现“浓烟”滚滚的“雾化”现象,历时3秒钟之久。这是因为瓶中的酒精蒸气随试管中的水蒸气消耗热,温度降低,酒精被液化成液滴。为使“雾化”现象更明显,可在试剂瓶的后面用黑色纸板作衬托,效果令人满意。

如没有带侧管的试管,可采用如图14所示的装置,也有相当的效果。

压缩空气引火仪实验的改进

初中物理“改变物体热能的方法”,要求做“压缩气体做功,使物体的热能增加”实验。教材中介绍的是将浸过乙醚的棉花放在压缩空气引火仪”中,迅速将活塞压下去,棉花就会燃烧而发光亮光。但这对山区农村中学要做这个实验却十分困难:一是乙醚奇缺,二是实验设备短缺,易于挥发,不便储藏。面对这种情况,四川忠县官坝中学罗平、忠县电教教仪站曹吉茂老师在实验工作中,参阅《中学物理仪器》的内容,反复实践,摸索出了一种既简单方便,又易保管的一种“硝棉”,实验效果很好。

制作方法:取98%的浓硫酸和硝酸各50%混匀倒在烧杯里,将棉花连药棉放在其中浸泡30分钟后,用镊子把棉花取出用清水洗净(无酸碱度),再用酒精清洗。洗毕,放在清洁、通风、无火源的地方晾干,放入试管内,用胶木塞塞紧,置于干燥、通风、无火源的地方备用。

在做该实验时,用镊子将试管内储存待用的硝棉取出少许,用手指团紧,大小似绿豆,放入“压缩空气引火仪”中,迅速将活塞压下去,就会明显的看到燃烧的火光,实验效果很好,成功率在98%以上。

注意的是:(1)硝棉大小适宜,一般以025毫米最好;(2)活塞一定要用润滑油封紧,不能漏气;(3)压活塞的动作一定要快。只要做到这三点,一般不会失败的。