学生实验教学实录及点评

机械能与内能相互转化实验改进的实践与思考

【摘要】物理实验是物理教学的主要组成部分，成功的演示实验，不仅能克服教学难点，也能激发学生好奇心与求知欲，培养学生的创新意识。怎样用更好、更新、更适合学生身心发展的方法进行我们的实验教学，是我们物理教师值得思考与力行的课题。本文就机械能与内能相互转化实验改进的尝试论述了自己的几点认识。

【关键词】 机械能

内能

实验

一

问题的提出

能量是比较抽象的物理概念，是初中物理教学中的难点内容，在教学过程中用直观的实验来演示能量的存在与转化，对于学生的理解是非常重要的。苏科版初中物理9年级教材第十二章第四节中，其中一个演示实验：“在透明塑料盒的底部钻一个孔，将电子式火花发生器针管塞入孔中，打开盒盖滴入数滴酒精，再将盒盖盖紧按动电火花器按钮”，实验的目的是来演示酒精燃烧产生高温燃气，通过做功将其内能转化为盖子的机械能的过程，并以此实验作为引入进行内燃机的教学。

但是，这样的演示方式并不尽如人意，首先，在实验中虽学生能明显听到“碰”一声响，看见盖子飞出，但演示过程时间非常短，学生几乎看不见火焰，很难感受到内能的存在。甚至有些学生不知道发生了什么事，作为演示实验，操作者主要是教师，这就容易使学生游离在实验之外。尤其学生本身对概念理解困难，需要花一定时间对实验进行观察思考的时候，若实验现象转瞬即逝，就更难让学生投入其

中，演示实验的教学效果也的大打折扣。演示实验现象的直观性和持续性性一直是教师设计实验过程中追求的目标之一，所以，设计一个能将内能持续转化为机械能的简易热机装置，必将能让更多的学生参与到对实验的观察活动中来，对能量转化过程过程有一个直观的体验。

二

实验装置的设计制作

课堂演示实验的设计必须考虑实验现象的直观性工作持续性、同时要安全可行，便于取材制作。笔者为此做了一探讨尝试，蒸汽机模型气缸压强很难控制，很难保证其安全性。而内燃机和涡轮喷气燃烧过程可视化程度差，结构复杂，对金属加工工艺要求高不容易制作，并且其爆震做功的噪音和安全性也不适用于课堂教学演示。斯特林式外然热机由于结构简单，取材方便，工作气压低安全可靠，最终选择以此作为演示实验。

1简易外然热机装置制作

（1）器材：10ml玻璃注射一个，外径30mm、25mm试管各一个，30mm试管配套橡皮塞一个。废旧光盘5张，胶水，塑料卡片，铁丝，螺丝，细塑料管若干，木块铁架等支架物若干。

(2)制作过程：

用玻璃刀将25mm小试管切取底部6cm段作为置换活塞，将一段15cm直铁丝用胶水固定在置换活塞轴心处。

用一段长3cm，内径可与铁丝嵌套的金属管（一般用电视机或收音机天线）钻入橡皮塞轴心处，置换活塞铁丝嵌入橡皮塞的金属管中。

把带有置换活塞的橡皮塞塞入外径30mm大试管，尽可能保持同轴，减小铁丝与金属管摩擦。这个嵌套整体作为置换气缸。如图1

图1 用玻璃注射器作做功活塞②，将注射器用细塑料管③与置换气缸①联通。

图2 将5张光盘同轴粘结后作为飞轮④，用支架物支起。（注意转轴处加润滑剂减小摩擦）

用细铁丝和塑料卡片制作传动曲轴和连杆⑤，曲轴两个连接处存在90度相位差。

最后用实验室的铁架，胶水

螺丝将以上各部分按如图2组装起来。使飞轮转动时通过连杆能顺畅带动两个气缸内活塞往复运动。注意气缸整体的气密性、减小整体运动时的摩擦。

（3）运行过程

在大试管尾部用火焰加热，一分钟后拨动飞轮，之后飞轮自行持

续转动，将火焰内能持续通过做功转变为飞轮机械能。

2热水驱动的热机简介

空罐在日常生活中很容易找到，用空罐作为置换器构造如图3 底部通过80度以上热水加热，置换活塞用泡沫聚乙烯制作。上部用铁皮制作构架散热，做功活塞用玻璃注射器。演示时，把装置放在装有热水的玻璃杯上，一分钟预热后拨动飞轮，之后飞轮能够持续转动。在课堂教学演示过程中，一杯热水能驱动飞轮转动，这会引起学生对物理的极大兴趣。实物图如图4所示

图3

图4 3大功率外然热机简介

为了使实验现象明显，笔者尝试用铝材制作了一个酒精灯驱动的双缸热机，用配有齿轮组的起吊装置放大扭力，使内能最终转化为重物的重力势能。使学生对能量转化及利用有近距离的接触，富有启发性。通过对能量转化方式、外燃机加热部位热传递导致能量损失的分析，可以很自然地过渡到内燃机的教学中，让学生更加深刻地理解内

能转化为机械能的原理，在课堂教学中取得了良好的教学效果。如图5、图6。

图5

性能参数表

置换活塞行程容积

动力活塞行程容积

压缩比

加热方式

高温侧温度

低温侧温度

平均气压

最大输出功率

最大负载

5ml 13.75ml 1.15 酒精灯加热

420℃

50℃

120 kPa 150mw/520r*min-1

5kg

图6 三

实验现象的热力学浅释

实验在初中物理教学中是为了直观演示内能转化为机械能的过程，实验原理的热力学解释超出了中学物理教学范围，但作为教师能初步解释实验原理有利于对教学的整体把握，并为实验的制作改良提供重要的理论依据。

热机四个理想热循环过程如图7所示，分别为：等容加热（1-2）、

等温膨胀（2-3）、等容冷却（3-4）、等温压缩等温膨胀（4-1）

其中2-3过程是气体对外做正功过程，其余三个过程程依靠曲轴和飞轮惯性完成。

其对应的P-V线图如图8所示。

图一

图7

图8 假设封闭气体质量恒定为m,气体常数为R，比热容为C,等容加热和等容冷却过程中气体体积为Vmin 、Vmax，等温膨胀和等温压缩过程温度分别为T23、T41，

等容加热（1-2），气体向热部转移，气体吸收热量Q12 = mC(T23-T41),

气体做功W12 = 0 等温膨胀（2-3），气体继续向热部转移，吸收热量Q23 = mRT23lnVmaxVmin

气体做功W23 = Q23

= mRT23lnVmaxVmin

等容冷却（3-4）, 气体向冷部转移，气体吸放热量Q34 = -mC(T23-T41),

气体做功W34 = 0 等容冷却（4-1），气体继续向冷部转移，吸放热量Q41 = -mRT41lnVmaxVmin

气体做功W41 = Q41

= -mRT41lnVmaxVmin

由于Q34由放热到气缸冷热结合部侧壁，在之后吸热过程中气体图

能继续从侧壁吸收到热量，起到一个回热作用，假定100%回热，则Q34=

Q12 , 因此气体最终每次循环对外做的图示功：

VmaxVmax

- mRT41ln

VminVminVmax

=

mR(T23 -T41)ln

VminW = W23 + W41 = mRT23ln热机内部热效率n = T23

-T41W

=

= 1 - T41

T23Q23T23通过上式可看出，热机的热力学效率取决于高温与低温的温度差。理论热效率与卡诺循环效率相同。同时为了提高输出功率，应设计良好的散热结构，减小机构间的摩擦。

实际制作过程中，由于采用置换活塞导致不等容，以及气缸活塞漏气、回热不完全、实际气体图示功图线与理想状态有一定差异。在空载高转速情况下，两个气缸间流动气体的黏泄阻力大大增加，成为机械能的损失主要因素。

四

结语

总之，物理世界里有许多生动有趣的实验现象，教师可以从中吸取灵感，根据教学需要设计教学器具用于课堂教学。当然有成功的，也有失败的，但是只要我们乐于去不断尝试、不断创新，择优而用，必能对提高教学质量有帮助。