人教版选修3－3　10.1　功和内容：DIS实验与传统实验的比较以“做功改变物体内能的实验”为例.docx

1、做功改变物体内能的实验做功是改变物体内能的一种方式，这是初中物理的一个重点知识。以沪科版物理书为例吧，在九年级物理书上的第十二章的第一小节，分别介绍了两个物理实验，分别为“压缩气体使硝化棉燃烧实验”和“不断弯曲铁丝，铁丝弯曲部位发热”两个实验。下面分别介绍一下这两个实验。2.1 做功改变物体内能的实验一“压缩空气使硝化棉燃烧”是做功改变物体内能中两个实验的头一个，此实验操作简便且耗时少，深受广大物理教师的喜爱。多年来，不少物理教师对此装置进行改进、改良和自制，取得了优秀的成果。 2.1.1 “压缩空气做功”的传统实验沪科版初三物理课本上有这样一个实验案例：用力用力把活塞向下压，蘸有乙醚的棉花球

2、(红磷粉末)燃烧起来50 舒玉珍.内能做功实验的改进J.实验教学与仪器,2000(1):11.。这个实验操作简单，现象明显，课堂教学起来非常愉快和轻松，深受学生和教师的喜爱。实验仪器：硝化棉、酒精、打气筒实验目的：理解功与能的转化实验原理：理解功与能的转化实验原理：气体压缩，外界对气体做功，气体的内能增加，温度升高实验步骤:用镊子夹一些占过酒精的硝化棉放入打气筒中，硝化棉一定要蓬松且不要太多，迅速向下压打气筒，速度要快，如图5-9所示。我们发现：硝化棉燃烧起来了。图5-9 做功的传统实验图总结：用手向下压打气筒的话，手对打气筒有向下的压力，这个压力会与打气筒内壁摩擦产生热，但这并不是空气温度升

3、高的主要原因，摩擦生热可忽略不计。这个压力所作的功产生的作用效果即：压缩空气，使其温度升高，从而使硝化棉的温度升高，直到达到硝化棉的燃烧点(硝化棉的燃烧点很低），使其燃烧起来。间接地证明了空气的温度升高，我们知道：温度升高的话，那么物体的内能一定增大，即空气的内能一定增加。从而也就说明：这个压力所作的功升高了空气的内能，即做功可以改变物体的内能。实验过程伴随着光、声等现象，说明活塞对气体做功使气体内能增加，温度升高，达到乙醚(红磷)的着火点。这个实验有时不一定能够使硝化棉燃烧起来，主要原因如下：（1)向下压打气筒的速度太慢；（2）放入打气筒内的硝化棉量太多；(3）打气筒的密闭性不高。2.1.2

4、 “压缩空气做功”的DIS实验虽然多年来，物理教师对“压缩空气体积做功”的传统实验进行改良和自制，但效果并没有质的提高，无法用实验数据来支持实验结论哦。而DIS实验可以很好地弥补这一不足,显示了自身的诸多优点。实验器材：注射器座架计算机温度传感器数据采集器实验原理：理解功与能的转化实验原理：气体压缩，外界对气体做功，气体的内能增加，温度升高实验步骤：(1)首先按如图5-10连接实验装置，先将注射器固定在座架上，连接温度传感器数据采集器计算机。 图5-10 压缩空气做功的DIS实验图（2）打开计算机中的数字化实验室软件，点击“通用软件”打开窗口后，对“传感器”、“图像”进行设置；在图线设置”中，

5、选择“X轴”为时间t，起始时间为0；“y轴”为温度T，起始温度为0。(3)点击“开始采集”按钮后，用力慢慢推压打气筒手柄并观察图像，挤压到最大程度后放开手柄并观察图像。如图23所示。图5-11 压缩空气做功”的DIS实验图像图(4) 观察计算机上的图像5-11，让学生讨论并分析实验图像的规律，归纳出外界对气体做功和气体对外界做功两个时间段的温度变化特点，使学生认识到做功可以改变物体的内能-外界对气体做功，气体内能增大；气体对外界做功，气体内能减少。 （5） 让学生讨论并解释“做功可以改变物体的内能”的原因。总结：用力慢慢推压打气筒手柄，手对打气筒有向下的压力，这个压力会与打气筒内壁摩擦产生热，

6、但这并不是空气温度升高的主要原因，摩擦生热可忽略不计。随着挤压的进行，计算机视屏上的温度逐渐上升，放开手柄后，视屏上的温度逐渐下降。说明手柄压缩空气可使气体温度上升，其原因是手柄的机械能转化为气体的内能，气体的内能增加，气体的温度上升，即外界对气体做功可以使气体内能增加；而放开手柄之后，图像上的温度下降，其原因是手柄放开后，气体使手柄缓慢向后退，气体的内能为手柄的机械能，说明气体对外界做功，气体的内能减少。“做功可以改变物体的内能”的实质是：机械能与内能的相互转化。2.1.3“压缩空气做功”的DIS实验与传统实验的对比通过对比DIS实验和传统实验发现，它们两者都有各自的优点和缺点。压缩气体的D

7、IS实验优于传统实验的方面：(1) 环保压缩气体的DIS实验不会污染环境，且不会浪费实验原料。然而传统实验每次实验都要消耗硝化棉、酒精等材料并且排放硝化棉燃烧后形成的有毒废气及酒精蒸气，不利于环保51 董子贵.自制简易做功改变内能实验器J.物理通报,2012(10):126-127.51。(2) 能够观察温度变化的幅度在DIS实验中，学生可以观察空气温度的图像来观察被压缩气体的温度变化，不仅直观性好，而且大大提高了可见度，加深了学生的印象及对知识点的理解52 宋艳芝,刘秀清.做功改变物体内能实验的设计J.物理通报,2007(7):45-46.。而传统实验是通过硝化棉的燃烧从而间接反映空气温度的

8、增大，并不能反映温度变化的幅度。（3）有实验数据来支持实验结论从压缩气体的DIS实验中的图像上，可以看到空气温度的数值变化，有实验数据来支持空气的内能增大；而传统实验通过硝化棉的燃烧支持空气温度的升高，没有测量空气温度的数据变化，缺乏实验数据来支持空气温度的增大，也就没有实验数据来支持实验的结论。(4) 培养学生观察和分析图像的能力。压缩气体的DIS实验有空气温度变化的图像，学生可以观察并讨论实验图像，科学探究实验的结论，进而培养学生观察和分析图像的能力；然而压缩气体的传统实验是通过实验现象来探究实验结论，并没有实验图像。压缩气体的传统实验优于DIS实验的方面：（1） 视觉冲击强烈传统实验采用

9、压缩空气使硝化棉燃烧，硝化棉燃烧的现象观察明显，给学生以直观的视觉冲击；而DIS实验采用压缩空气观察图像的方法，视觉冲击没有传统实验来得更强烈。（2）操作方便简单且省时间 传统实验所需的器材少且操作简单，实验耗时少，能够很快地完成实验；相对于传统实验而言，DIS实验所需实验器材多，连接实验仪器耗费时间多。（3）极强的实验兴趣传统实验中会使“硝化棉燃烧”，而学生正处于初中阶段，会对一切新奇的事物产生极大的实验兴趣，因此，“硝化棉燃烧”会带给学生极强的实验兴趣；而压缩空气的DIS实验给学生所带来的实验兴趣没有传统实验所带来的实验兴趣大。（4）为汽油机的压缩冲程打下铺垫传统实验演示了压缩空气可以使“硝化棉燃烧”，而“硝化棉燃烧”必然说明了空气内能的增大。压缩空气是通过手柄向下运动产生的，会使手柄运动速度增大，也就是手柄的机械能，可以理解为：手柄的机械能转化为空气的内能。而汽油机的压缩冲程就是机械能转化为内能，从而传统实验为以后的汽油机的内容打下了铺垫，使学生理解机械能可以转化为空气的内能。（5） 不会浪费电力资源DIS实验需要消耗电能，而传统实验并不需要消耗电能 建议：压缩空气的DIS实验和传统实验都有各自的优点和缺点，两者的实验效果相当，因此，压缩空气的实验既可以采取传统实验，也可以采取DIS实验，可以任意选择两者中的任何一个，并没有优劣之分。