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机械能与内能教学实验操作指导

引言

机械能与内能的转化是中学物理教学中的重要内容，它揭示了不同形式能量之间的联系与转化规律。通过实验教学，学生能够直观地观察到能量转化的过程，加深对抽象概念的理解。本指导旨在为教师提供一套系统、严谨且具有可操作性的实验教学方案，帮助学生通过亲身体验和细致观察，构建对机械能与内能转化的清晰认知。

一、实验目的

1.帮助学生理解做功是改变物体内能的一种方式。

2.通过具体实验现象，使学生认识到机械能可以转化为内能，反之亦然。

3.引导学生观察并解释实验中出现的物理现象，培养其分析问题和解决问题的能力。

4.学习控制变量法等基本实验方法，规范实验操作，提升实验技能。

二、实验原理

本实验主要基于能量转化与守恒定律。当对物体做功时，机械能可以转化为物体的内能，使物体的内能增加，温度升高（如压缩气体做功）；反之，物体的内能也可以通过对外做功转化为机械能，此时物体的内能减少，温度降低（如气体膨胀对外做功）。我们将通过两个典型的子实验来分别演示这两种转化过程。

三、实验器材准备

为确保实验顺利进行，需提前准备并检查以下器材：

1.压缩气体做功实验：

*一个带有良好密封性的厚壁玻璃广口瓶（或集气瓶）

*一个与瓶口匹配的单孔橡皮塞

*一根长度适中的玻璃导管（一端插入橡皮塞，另一端可连接打气装置）

*一个手动打气筒（带有与玻璃导管适配的连接头）

*少量水（或酒精，用于更易观察现象）

*凡士林（用于增强橡皮塞与瓶口、玻璃导管与橡皮塞之间的密封性）

2.气体膨胀做功实验（可与上述实验装置部分共用）：

*上述广口瓶、橡皮塞、玻璃导管

*（替代方案）一个配有活塞的厚玻璃筒（如教材中常见的演示装置）及一小团蘸有乙醚的棉花。

3.辅助器材：

*火柴

*秒表（可选，用于观察现象持续时间）

*抹布（用于清洁）

*安全手套（可选，保护手部）

器材检查要点：玻璃器皿是否有裂纹，橡皮塞是否老化，打气筒是否能正常工作，各连接处是否能保证良好密封。

四、实验操作步骤与现象观察

（一）演示压缩气体做功，机械能转化为内能

1.装置组装与调试：

*在广口瓶内加入少量水（约占瓶容积的十分之一即可），目的是增加瓶内水蒸气含量，使后续现象更明显。若使用酒精，效果更佳，但需注意防火。

*将单孔橡皮塞紧密塞入瓶口，确保不漏气。可在橡皮塞与瓶口接触处涂抹少量凡士林。

*将玻璃导管一端穿过橡皮塞，使其末端伸入瓶内（无需接触水面），另一端连接到打气筒的出气口，连接处同样可用凡士林或专用接头确必威体育官网网址封。

*用手握住瓶身，感受初始温度。

2.实验操作：

*一位实验者（教师或学生代表）双手持稳广口瓶，另一位（或同一位）操作打气筒。

*匀速、缓慢而持续地向瓶内打气。注意观察瓶内情况及瓶塞的状态。

*在打气过程中，提醒学生注意倾听是否有细微的声音，并密切注意瓶塞的状态。

3.现象观察与记录：

*过程中：随着打气次数的增加，瓶内气体被压缩，压强增大。此时，用手触摸瓶壁，可感觉到温度有升高（此为次要现象，主要现象在后面）。

*关键现象：当瓶内气压增大到一定程度，会将橡皮塞“砰”地一声顶出瓶口。

*核心观察点：在橡皮塞被顶出的瞬间，瓶口会出现一缕清晰可见的白色雾状物质，并迅速消散。引导学生仔细观察这一现象。

（二）演示气体膨胀对外做功，内能转化为机械能

方案一（利用上述实验后瓶内状态）：

在上述实验中，瓶塞被顶出的过程，以及瓶口出现白雾的现象，其实已经包含了气体膨胀对外做功，内能减少，温度降低的过程。瓶内气体推动瓶塞做功，自身内能减少，温度降低，使得瓶内的水蒸气（或酒精蒸气）遇冷液化成小液滴，形成白雾。教师可在此基础上，引导学生逆向分析这一阶段的能量转化。

方案二（活塞压缩点火实验，更直观展示内能增加）：

*取配有活塞的厚玻璃筒，在筒底放入一小团干燥的蘸有少量乙醚的棉花（乙醚易挥发，其蒸气易燃）。

*将活塞插入玻璃筒内，确保气密性良好。

*用手快速、用力地向下压活塞，使其迅速压缩筒内气体。

*观察现象：当活塞压缩到一定程度时，筒内蘸有乙醚的棉花会瞬间燃烧，产生火花。

（三）实验现象的对比与分析

引导学生对比两个实验（或同一实验的两个阶段）：

*压缩气体时，我们对气体做功，消耗了机械能，气体的内能增加，温度升高（方案二中棉花燃烧直接证明了温度升高）。

*气体膨胀时，气体对外做功，自身的内能减少，温度降低（方案一中瓶口白雾证明了温度降低导致水蒸气液化）。

五、实验现象分析与讨论

1.白雾的成因探讨：

*提问：瓶口的“白雾”是如何形成的？它是水蒸气吗？

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