“由體驗伽利略溫度計到制作液體溫度計”的教學(xué)設(shè)計

浙江省臺州市教育局教學(xué)研究室(318000) 蘇愛娣

浙江省臺州市白云中學(xué)(318000) 金滿林

1 案例綱要

1.1 教學(xué)對象

作為初中科學(xué)必修內(nèi)容 “溫度計”的課外拓展課程案例,供部分感興趣的學(xué)生選修,學(xué)生活動時間和場所均在必修課堂之外且不作為考試內(nèi)容。

1.2 教師指導(dǎo)

提供安全的場所和器材,組織開展小組活動,指導(dǎo)學(xué)生安全科學(xué)地開展制作活動,啟發(fā)學(xué)生思考、討論和改進。

1.3 學(xué)生評價

重在活動過程,在活動過程中跟進評價,關(guān)注學(xué)生的動手、動腦的能力。

2 活動目標(biāo)

(1)通過溫度計的制作,進一步理解溫度計的工作原理。

(2)通過制作并改進溫度計,提高把科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品的思維。

(3)感受溫度計的不斷發(fā)展過程,體驗科學(xué)知識與技術(shù)的結(jié)合,感受團隊合作及動手解決問題的樂趣,激發(fā)創(chuàng)新熱情。

3 活動過程

3.1 活動一：體驗“伽利略溫度計”

3.1.1 資料鏈接

伽利略溫度計,是意大利科學(xué)家伽利略基于氣體熱脹冷縮原理研制的用于測量溫度的工具。1593年,伽利略發(fā)明空氣溫度計,這種氣體溫度計是用一根像麥秸那么粗的長玻璃管制成的。它的一端制成空心圓球形,另一端開口。事先在管內(nèi)裝進一些帶顏色的水,并將這一端倒插入盛有水的容器中,如圖1所示。在玻璃管上等距離地標(biāo)上刻度,這樣當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時,玻璃球內(nèi)氣體發(fā)生膨脹或收縮,玻璃管中水位也發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖1 伽利略溫度計

3.1.2 實驗器材

實驗器材如圖2所示。

圖2 活動一器材

3.1.3 制作步驟

(1)在礦泉水瓶中裝上半瓶水,滴入幾滴紅墨水染色,再用注射器針頭在礦泉水瓶的中上部刺幾個小孔,使瓶內(nèi)空氣與外界相通。

(2)將注射器針頭插穿與小塑料瓶配套的單孔橡皮塞,如圖3(a)所示。再在針頭的后端套上一小段橡皮管后,將橡皮塞與細玻璃管相連,制得如圖3(b)所示的裝置。

(3)將第(2)步制作的橡皮塞與塑料瓶相連并塞緊瓶口,如圖4(a)所示。在各連接處涂上凡士林密封后,再將其與礦泉水瓶及配套的單孔橡皮塞相連,并將玻璃管的下端伸入到細墨水液面以下,制得如圖4(b)所示的裝置。

(4)用注射器連接橡皮管,拉動注射器,使紅墨水上升到一定的高度,用小夾子夾緊橡皮管,拿走注射器,制作成如圖4(c)所示裝置。

(5)用手捂住小塑料瓶,如圖5所示。觀察紅色液柱的高度變化,感受氣體溫度計對溫度變化的敏感性,體驗“伽利略溫度計”的工作原理。

圖3 連接針頭、橡皮塞和細玻璃管

圖4 組裝伽利略溫度計

圖5 體驗伽利略溫度計

3.1.4 思考與討論

“伽利略溫度計”在制作和使用過程中有什么不足之處,如何給該溫度計標(biāo)注刻度。

3.2 活動二：改進“伽利略溫度計”

3.2.1 實驗器材

實驗器材如圖6所示。

圖6 活動二器材

3.2.2 制作步驟

(1)在燒杯中倒入熱水,并置于三角架的石棉網(wǎng)上,用酒精燈加熱。

(2)在小藥瓶中裝入約2/3容積的水,滴幾滴紅墨水染色。將配套的橡皮塞和細玻璃管連接,塞緊小藥瓶時,細玻璃管內(nèi)的紅色液柱自動上升到一定的高度。

(3)用剪刀剪一小截標(biāo)簽紙,在與液面相平的細玻璃管處貼上一圈,作為室溫的標(biāo)記,如圖7所示。

圖7 標(biāo)注室溫刻度

(4)待燒杯中的水加熱至沸騰后,將小藥瓶放入燒杯中加熱幾分鐘后(見圖8),在細玻璃管上與液面相平處貼上標(biāo)簽紙作記號,作為沸水的溫度(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,沸水的溫度為100 ℃)。根據(jù)溫度計刻度是均勻的特點,量出2 個標(biāo)簽紙之間的距離,通過計算即可均勻標(biāo)出細玻璃管上的其他溫度值。

圖8 標(biāo)注沸水刻度

3.2.3 思考和討論

該溫度計的原理是什么? 解決了“伽利略溫度計”的哪些不足之處? 在制作或使用過程中仍然存在哪些不足之處?

3.3 活動三：制作液體溫度計

3.3.1 資料鏈接

伽利略的空氣溫度計雖能測定溫度,但人們發(fā)現(xiàn)它的測定結(jié)果并不精確,玻璃管中的水位高度不僅受到容器中空氣溫度的影響,而且還受到大氣壓強的影響。也就是說,即使溫度不變,在不同氣壓環(huán)境下細玻璃管內(nèi)的液面高度也會有差異。

3.3.2 制作步驟

(1)在活動二的基礎(chǔ)上,繼續(xù)加熱燒杯中的水。同時,將小藥瓶內(nèi)紅色的水裝滿,塞緊橡皮塞,細玻璃管內(nèi)的紅色液柱則自動上升到一定的高度。在液面相平的細玻璃管處貼上一細圈標(biāo)簽紙,作為室溫的標(biāo)記。

(2)待燒杯中的水加熱至沸騰后,將步驟(1)中制作的裝置放入燒杯內(nèi)加熱幾分鐘后,在細玻璃管上與液面相平處貼上一細圈標(biāo)簽紙作記號,作為沸水的溫度(1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,沸水的溫度為100 ℃)。

(3)用與活動二相同的方法,在細玻璃管上標(biāo)出其他溫度值,制得如圖9所示的液體溫度計。

圖9 完成刻度標(biāo)注

3.3.3 思考與討論

(1)該裝置在實際使用時會存在哪些問題。如要提高所制作的液體溫度計的量程或精準(zhǔn)度,可對裝置進行怎樣的改進。

(2)普通溫度計中的液體一般選用酒精、水銀或煤油,為何不選用我們生活中最常見的水來制作液體溫度計。