測量溫度的STEM探究活動案例分析①

(江蘇省海門市海南中學(xué),江蘇 南通 226100)

1 問題的提出

對溫度的認知、了解是人類認識自然的一項重要技能。了解溫度對人類生活的影響,通過測量溫度來提高生產(chǎn)生活的效率，是人們需要學(xué)習(xí)的生活技能，例如食物加熱到多少度才能煮熟？使用智能手機時,當(dāng)手機溫度超過多少度時需要引起人們的警覺,以免引起爆炸等事故？關(guān)于我們自己的身體,多高溫度為合適的體溫？游泳池保持多少攝氏度的水溫才是最合適的？常用的體溫計的原理是什么？如何使用？作為初中學(xué)生,我們能否就溫度的測量做一些探究？

2 調(diào)查分析和活動體驗

2.1 體驗生活中的溫度

教學(xué)目標(biāo):用電子溫度計測量溫度,熟悉生活中的各種物體的溫度。

器材:為了便于觀測,用網(wǎng)上購買的電子溫度計進行測量。

優(yōu)點:通過使用可以發(fā)現(xiàn),電子溫度計攜帶方便,帶有探頭,測量、顯示溫度速度快,精確度高,適合于自動觀測記錄數(shù)據(jù)的場合。

缺點:該電子測溫儀測量范圍有限,不能測量較高的溫度,比如煤氣灶火焰的溫度等。

用電子溫度計測量一些常見的溫度值:(1) 停放在戶外的汽車內(nèi)外溫度；(2) 空調(diào)房間內(nèi)外溫度；(3) 冰箱內(nèi)外溫度；(4) 體溫；(5) 煮熟的米飯的溫度；(6) 魚池水溫；(7) 游泳池的水溫。

本節(jié)課通過溫度的測量活動，讓學(xué)生了解了身邊環(huán)境的溫度,使他們對于溫度的概念有感性的認識,為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.2 認識更多測量溫度的工具

教學(xué)目標(biāo):讓學(xué)生認識更多的測溫儀器,并了解學(xué)習(xí)其中常見的幾種測溫儀器的使用方法。

了解生活中測量溫度的工具,學(xué)習(xí)使用方法。例如:普通溫度計、體溫計、紅外線測溫儀、電子溫度計、固體溫度計等(如圖1)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解各種溫度計的使用方法。

圖1

學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)搜索資料,整理出部分溫度計家族成員。

(1) 氣體溫度計:多用氫氣或氦氣作測溫物質(zhì),因為氫氣和氦氣的液化溫度很低,接近于絕對零度,故它的測溫范圍很廣。這種溫度計精確度很高,多用于精密測量。

(2) 電阻溫度計:分為金屬電阻溫度計和半導(dǎo)體電阻溫度計,都是根據(jù)電阻值隨溫度的變化這一特性制成的。電阻溫度計使用方便可靠,應(yīng)用廣泛。它的測量范圍為-260℃至600℃。

(3) 指針式溫度計:是形如儀表盤的溫度計,也稱寒暑表,用來測室溫,是利用金屬的熱脹冷縮原理制成的。

(4) 玻璃管溫度計:玻璃管溫度計是利用熱脹冷縮的原理來實現(xiàn)溫度的測量的。由于測溫介質(zhì)的膨脹系數(shù)與沸點及凝固點的不同,所以我們常見的玻璃管溫度計主要有:煤油溫度計、水銀溫度計。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,測量精度相對較高,價格低廉。缺點是測量量程和精度受玻璃質(zhì)量與測溫介質(zhì)的性質(zhì)限制，且易碎。

(5) 壓力式溫度計:壓力式溫度計是利用封閉容器內(nèi)的液體,氣體或飽和蒸汽受熱后產(chǎn)生體積膨脹或壓力變化作為測量信號。它的基本結(jié)構(gòu)是由溫包、毛細管和指示表三部分組成。壓力式溫度計的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單,機械強度高,不怕震動，價格低廉,不需要外部能源。缺點是:熱損失大，響應(yīng)時間較長。

2.3 收集資料,了解溫度測量的歷史以及兩種主要的溫度測量標(biāo)準

教學(xué)目標(biāo):(1) 了解溫度測量的歷史。(2) 知道兩種生活中常見的溫度標(biāo)準：攝氏溫標(biāo),華氏溫標(biāo)。

學(xué)習(xí)資料:溫度計的發(fā)展史。

溫度計在1593年由意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明，他的第一只溫度計是一根一端開口的玻璃管,另一端帶有玻璃泡。使用時先對玻璃泡加熱,然后把玻璃管插入水中。隨著溫度的變化,玻璃管中的水面就會上下移動,根據(jù)移動的多少可以判定溫度的變化和溫度的高低。

后來伽利略的學(xué)生和其他科學(xué)家,在這個基礎(chǔ)上反復(fù)改進,如把玻璃管倒過來,把液體放在管內(nèi),把玻璃管封閉等。比較突出的是法國人布利奧在1659年制造的溫度計,他把玻璃泡的體積縮小,并把測溫物質(zhì)改為水銀,具備了溫度計的雛形。以后荷蘭人華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質(zhì),制造了更精確的溫度計。他觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經(jīng)過反復(fù)實驗與核準,最后把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把標(biāo)準大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉代表華氏溫度,這就是華氏溫度計。

華氏溫度計制成后又經(jīng)過30多年,瑞典人攝爾修斯于1742年改進了華倫海特溫度計的刻度,他把水的沸點定為0度,把水的冰混合物的溫度定為100度。后來他的同事施勒默爾把兩個溫度點的數(shù)值又倒過來(即沸點為100度,冰水混合物為0度),就成了百分溫度,即攝氏溫度,用℃表示。

包括中國在內(nèi)的世界上很多國家都使用攝氏度作為計量單位,美國和其他一些英語國家主要使用華氏度作為計量單位。

2.4 動手做一做,制作一支溫度計

課時目標(biāo):(1) 通過實驗探究,知道液體具有熱脹冷縮現(xiàn)象。(2) 設(shè)計出能初步測量溫度高低的簡易溫度計。(3) 通過比較,了解到制作溫度計的最佳器材組合。(4) 制作出一把能測量溫度的溫度計。

制作器材:橡皮塞、打孔器、粗細不同的玻璃管、大小不同的玻璃瓶、紅墨水等。

制作方法:用打孔器給橡皮塞開孔,將細玻璃管插入橡皮塞中,在玻璃瓶內(nèi)灌滿水,用橡皮塞塞住瓶口,一個簡易溫度計就做成了。

制作心得:給橡皮塞開孔難倒了很多同學(xué),雖然有開孔器幫忙,但是一開始沒有掌握要領(lǐng),沒有用水潤滑,開孔費了好多勁,后來在老師的幫助下,順利完成了。

2.4.1 體驗液體的熱脹冷縮現(xiàn)象

將裝有自來水的瓶子直接放入熱水中,發(fā)現(xiàn)水柱上升,但是不易觀察。

師:同學(xué)們有什么好的建議？

生:可以在瓶中滴入紅墨水,以便于觀察液柱變化。

圖2

制作中感悟:如果瓶中只放入水的話觀察水柱上升情況不太明顯,應(yīng)該在水中加入幾滴紅墨水。如圖2所示，將瓶子放入熱水中會觀察到,紅色液柱會迅速上升,從熱水中取出后,管內(nèi)的液柱又明顯下降了。

2.4.2 比較管子長短對測量結(jié)果的影響

準備兩個大小一樣的瓶子,插入瓶中的玻璃管粗細相同。

師:過段時間后觀察,發(fā)現(xiàn)什么？

生:短玻璃管中的水很快溢了出來。

師生總結(jié):通過實驗知道,短玻璃管中的水柱上升一段后會溢出管外,所以長管子制成的溫度計能測量更大范圍的溫度(量程大)。

2.4.3 比較管子粗細對測量結(jié)果的影響

準備兩個大小一樣的瓶子,將粗細不同的玻璃管插入瓶中。

師:將兩個瓶子同時放入熱水中觀察,發(fā)現(xiàn)了什么？

生:在細玻璃管中液柱上升得快。

師:說明什么？

生:思考后回答,細玻璃管的反應(yīng)比較靈敏,測量結(jié)果更準確。

師生總結(jié):通過實驗發(fā)現(xiàn),細玻璃管中的液柱上升較快,粗玻璃管中的液柱升高緩慢,由此可知,細玻璃管的分度值大,測量結(jié)果更精確,而粗玻璃管的液柱上升緩慢,制成的溫度計可以有較大的量程。

2.4.4 比較瓶子大小對測量結(jié)果的影響

師:把粗細相同的玻璃管插入大小不同的瓶子,同時放入熱水,觀察瓶中的液柱上升情況。請大家猜想一下,可能哪個會升高得快一點？

生:有人說小瓶子,也有人說大瓶子中液柱上升得快。

實驗驗證:把粗細相同的玻璃管插入大小不同的瓶子,同時放入熱水,發(fā)現(xiàn)大瓶子中的液柱快速上升。

師:說明了什么？

生:討論后總結(jié)得出,反映出大瓶子的靈敏度較好,可制成分度值較大的測溫儀器；而小瓶子中的液柱上升較緩慢,可以制成量程較大的溫度計。

2.4.5 總結(jié)

(1)應(yīng)該用小瓶子(量程大、攜帶方便)、又細(靈敏、分度值大)、又長(量程大)的玻璃管制作溫度計。

(2)不同液體的熱脹冷縮特性不同,煤油溫度計的靈敏度更高一些。

2.4.6 按照攝氏溫度標(biāo)準標(biāo)刻度

師:實驗中插有玻璃管的小瓶子能直接測量溫度嗎？

生:不能。

師:還缺什么？

生:還缺刻度,有了刻度才能準確測量物體的溫度。

師:怎么標(biāo)刻度呢？大家找找相關(guān)資料。

生:攝氏溫標(biāo)規(guī)定,利用冰水混合物和沸水,給溫度計定好0度和100度的刻度,然后再將其劃分為100等份,標(biāo)出刻度。

設(shè)計與制作:根據(jù)以上步驟,進行溫度計的制作。

試測與優(yōu)化:試測溫水、冷水、冰塊的溫度。

發(fā)現(xiàn)問題:(1) 制作的溫度計在0℃以下無法進行測量；(2) 溫度計反應(yīng)不靈敏。

優(yōu)化措施:(1) 按照0℃-100℃的間距標(biāo)準,在0℃的下方繼續(xù)標(biāo)注刻度,這樣就可以測出0℃以下的溫度。(2) 更換更細的玻璃管,瓶子稍大一些,可適當(dāng)增加量程和分度值。(3) 更換瓶內(nèi)液體,換成酒精或煤油進行實驗。發(fā)現(xiàn)靈敏度比水要好很多。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)：酒精的沸點為78℃,不適合測量熱水的溫度,最后確定用煤油來替代水作為測溫液體。

展示與評價:小組合作交流展示,教師用標(biāo)準溫度計測出水槽中水的溫度,各小組學(xué)生代表用自己制作的溫度計來進行測量,根據(jù)測量的精度評選出優(yōu)勝獎。

拓展與應(yīng)用:在實驗過程中,有學(xué)生提出,既然可以利用液體的熱脹冷縮現(xiàn)象制作溫度計,那么空氣有沒有熱脹冷縮現(xiàn)象呢？能否仿照液體熱脹冷縮現(xiàn)象制作一個氣體溫度計呢？

實驗探究:把瓶子中的水倒掉,在細管中留有一段水柱,當(dāng)用橡皮塞塞緊瓶口,用手捂瓶子的時候,發(fā)現(xiàn)小水柱快速上升(如圖3)。

圖3

圖4

結(jié)論:空氣的熱脹冷縮現(xiàn)象更加明顯,但此裝置也存在一些問題需要改進。小水柱上下浮動太厲害,手捂時間稍長就飛出了管口。引導(dǎo)學(xué)生討論,怎么解決這個問題？上網(wǎng)查閱資料，改進制作。

學(xué)生匯報:(1) 用菜籽油代替小水柱進行實驗,因為油具有黏滯性,可以更好地觀察小液柱的上下浮動情況;(2) 可以采用如圖4所示的方式,將此空氣溫度計倒置在水中進行實驗,通過觀察水柱高低來表示溫度高低。