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第9章 传导、对流、辐射实验的操作与改进(1)

水的对流实验的改进

初中物理有个水的对流演示实验,如按课本所述演示,直接把高锰酸钾晶粒投入水中,学生往往未观察到紫红色细流流动情况,整瓶水就成了紫红色液体,使实验失败。江西省信丰县大桥中学朱向阳老师在教学中,对此作了一小小改进,但效果就很好,能使学生看到细流流动情况的时间延长到4-6分钟,其方法如下:

用一小块纱布,上面放点药棉,把少量高锰酸钾晶粒放入药棉里,然后包扎成略比黄豆大的小包,用线把口扎牢,剪去多余部分,即成晶粒小包。

演示时,先把两个装有冷水的烧瓶分别悬空架在铁架台上,待水静止后,各烧瓶中投入一包课前准备的晶粒(也可当场包扎),如小包不在瓶底正中,可用铁丝移动使它停在瓶底正中,用酒精灯对准一烧瓶底的小包加热。火焰的外焰顶点离瓶底05cm。几秒钟后,可看到从小包里向上升起几股紫红色细流,然后又沿瓶的边缘流回瓶底,两分钟后,把酒精灯移至另一烧瓶底部加热,可看到同样现象,两分钟后,让学生观察第一次加热的烧瓶,可看到停止加热后瓶中浅色液体不流动,小包周围有一层颜色较深的紫红色液体,把酒精灯移回该瓶底加热,又可看到颜色较深的紫红色细流升起,然后沿边缘流回,两分钟后,整瓶水都成了颜色较深的紫红色溶液。

对流实验的改进三则

初中物理课本中“水的对流”实验,按课本所述操作效果较差,其原因有二:(1)水温低时效果不明显;(2)高锰酸钾易溶于水,晶粒在下落过程中就溶解了一部分,烧瓶内的水已被染成紫红色,无从观察。

为做好这个实验,四川省巴中县顶山中学蒲江、四川省中江县凯江中学谢扬明、湖北省通城县墨烟中学吴忠甫老师介绍可做如下改进:取一支粉笔,用墨汁(或墨水)将其浸透,然后烘干,切成火柴头大小的颗粒备用。实验时,在烧杯内放入热水,再用酒精灯加热。然后用手抵住一根两端开口细玻璃管上端,将其插入水中,使下端与瓶底接触。待水温达到80℃左右时,从玻璃管口放入粉笔颗粒,再将玻璃管提起一些,跟踪粉笔粒的轨迹,可清楚地得知水的对流情况。

如果仍用高锰酸钾晶粒按书中操作做实验,则可用镊子夹住一较大的晶粒,粘裹一层凡士林,经这样“处理”的晶粒投入冷水中时,水不会变色。当用酒精灯加热时,外层凡士林先行熔化,随后即可清晰地看到高锰酸钾显示的对流现象,效果很好。

自制的器材

(1)对流管取下40瓦废日光灯管两端的金属帽及灯丝,用盐酸洗净管内的萤光粉,再用酒精喷灯将灯管加工成如图2、3所示带小孔的弯管。接头处用松香密封好。为增加可见度,在对流管的一面涂上白漆。

(2)加热器将电阻为4Ω的电炉丝的两端焊上两根漆包铜线,再密封在一段小玻璃管中(图1)。

(3)其他材料学生电源一台,橡皮塞一个,灭蚊灵一片,红色塑料屑稍许,水足量。

演示气体的对流把灭蚊灵点燃后放入对流管中,用橡皮塞迅速塞住小孔,可以明显地看到烟雾的流动情况。

演示液体的对流

将加热器、红色塑料屑、水从小孔中装入对流管中,用塞子塞紧小孔(图3),接通电源,加热器附近的水受热膨胀,密度减小而上升,旁边的冷水又流过来补充。这样水就带动塑料屑在对流管中循环流动,从而清楚地显示了水的对流过程。

简易气体对流演示装置

在讲解初中物理“对流”时,安徽安庆地区物理教研室高国庆、姚荣枋老师设计了一个简易气体对流演示实验装置。

整个装置如图4所示。将一根口径大的U形玻璃管固定在铁架台上,再取一根细铁丝,一端绕上棉球。另一端弯成钩状,演示时,先将棉球蘸上少许酒精,点燃后插入U形玻璃管的右端管中,放在靠近底部的位置(注意不要使棉球接触管壁),将小钩挂在管口上(图示)。很快管中空气变热后立即上升,冷空气从左管口下降使空气在U形管中对流起来。这时,将一支点燃的火柴放在左管口正上方,并靠近管口,可见火焰被冷气流拉入管内。若随即吹灭火焰,可见火柴的烟雾在U型管中随着空气流动起来,形象地显示了空气的对流过程。

图4此实验装置,取材简单,操作方便,演示时间短,能使学生看到热空气上升、冷空气下降的对流过程。

空气对流实验

初中物理“对流”一节课文中,没有关于空气对流的演示实验。为了提高学生对空气对流的感性认识,加深印象,激发兴趣,湖南永州市一中唐小雅老师在教学中演示出两个简单、直观的空气对流实验,使课堂气氛增色不少。

用U形管演示空气的对流实验

(1)器材:U形管一支,酒精灯一盏,蚊烟香一段。

(2)做法:点燃酒精灯,左手持U形管的左管下端,让U形管的右管下端在酒精灯上加热,如图5,然后,右手执燃着的蚊烟香,将燃着的一端先放进U形管的右端管口,可看到烟只往上冒,表明右管内热空气上升;再将蚊烟香放进左端管口,可以看到烟全部被吸入管内,表明左管内冷空气下降,淡淡的青烟从左管下,沿着U形管从右端管口冒出,显示出空气的对流现象。

用玻璃管演示空气的对流实验

(1)器材:口径约4厘米,长约20厘米两端开口的粗玻璃管一支,长约5厘米的蜡烛一支,长度比玻璃管短2厘米、宽度比和直径窄一些的T形硬纸板一块。

(2)做法:点燃蜡烛,放在讲桌上一平整处,用玻璃管罩住蜡烛,使玻璃管下端管口跟桌面紧密接触如图6甲,可以看到蜡烛很快熄灭,表明没有空气对流,蜡烛不能继续燃烧。(可先问学生,蜡烛为什么熄灭?)然后将T形硬纸板挂在玻璃管内,点燃蜡烛,将玻璃管罩上,使T形纸板在烛的一侧,可以看到,虽然玻璃管下端管口跟桌面紧密接触,但蜡烛不会熄灭,表明空气对流蜡烛才能继续燃烧。若在做第二步实验时,先问学生:“不准玻璃管下端管口与桌面接触处漏气,你有什么办法可使管内燃着的蜡烛不熄灭?”则更能激发学生的兴趣。

粗测太阳的温度

太阳是个灼热的球体,其表面温度约6000K,这样高的温度是怎样测得的?如果能让学生自己动手粗测一下太阳表面的温度值,是非常有意义的。杭州六中杨达利老师介绍了这个实验的原理和方法。

实验原理

两点预备知识:

(1)由于太阳和地球间的空间是真空的,太阳的热能是靠辐射传递到地球。根据斯忒藩(JStefan)定律,太阳的辐射度(即单位面积辐射能的发射率)可由下式表示R辐=es·σ·Τ4s式中,R的单位是瓦/米2;σ=56696·10-3瓦/米2开4叫斯忒藩——玻耳兹曼恒量;Ts是太阳表面的温度;es是表面的发射系数,其值在0和1之间,太阳可看成理想黑面。

es≈1。

地球是环绕太阳运转的,如果把转动轨道近似地看成圆形,则太阳能达地球时的等效辐射度可写成:

R′辐=4πγ24πR2·esσ·T4s=(γR)2·σ·T4s①①式中γ是太阳的半径,R是地球运转轨道半径。

(2)任何一个物体发射辐射能和吸收辐射能是同时进行的。当该物体比周围环境热时,则它的发射率超过吸收率,因此该物体有净能量损失;若该物体比周围环境温度低时,则它的吸收率超过发射率,物体温度升高;当物体与周围环境同温度时,它的发射率等于吸收率,物体没有能量损失,温度不发生变化。

根据上面所述的两点知识,我们就可以进行实验。取一个表面涂成黑色的金属容器,内盛满水,让太阳光射入器壁,这时水温逐渐升高,每隔一定时间量一次温度,作出水温和时间的函数图像,找出图像上和周围环境同温度的一点,求出该点的斜率dTdt。

显然,在这个温度时,容器和周围环境间没有能量转移,所以太阳辐射能成了使水温升高的惟一因素。若忽略射入太阳能的大气衰减,则该容器在每单位时间吸收的太阳能是:

W1=S·em(γR)2·σ·T4s(焦耳/秒)在每单位时间内容器和水获得的热能是:

W2=(m1c1+m2c2)·dTdt根据能量守恒,可得W1=W2,即S·em·(γR)2σ·T4s=(m1c1+m2c2)dTdt②式中S是容器在和太阳光垂直平面上的投影面积;em是容器表面的吸收系数(或发射系数);m1、m2分别表示容器和水的质量;c1、c2分别表示容器和水的比热。

在②式中,如果除Ts外都已知,那么就可以解得Ts的值。

实验过程

(1)取一只铜制的量热器小筒,表面涂成黑色,盖上有两个小孔,一个孔里插温度计,另一个孔里插搅动器。在量热器里放入凉水,测出初温T1,同时量出室外温度T0。

(2)把量热器移到太阳下,使太阳光和量热器的轴垂直,如图7所示。

(3)每隔4分钟测一次水温,为了使水温均匀,必须频繁搅拌。

(4)作出水温和时间的函数图像,求出图像上水温等于T0处的斜率dTdt。

(5)根据式②算出太阳表面的温度Ts。

实验结果

此实验是5月的一个晴朗天气,上午八时许进行的,室外温度262℃。

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