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初中物理教材对热值的解释是:“人们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比,叫做这种燃料的热值。燃烧相同质量的不同燃料,放出的热量是不同的。”教材在引入热值的概念时还有这样的讲述:“人类在原始社会就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会,人类所用的能量很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得。”
可见,人类在原始社会就会利用能源,并开始了对能源的逐步探索。时至今日,社会科技高速向前迈进,对能源的需求量更是急剧上升。据有关统计资料显示,2008年江门市区的小汽车约为3万辆,2012年末已达96.97万辆,而2016年仅新增汽车就达10.6888万辆。由此可知,能源的消耗正在以四年内超过30倍的速度猛增,预计在不久的将来,能源将会面临短缺。因此,开发新能源是大势所趋。
要想了解能源面临的各种问题,对学生来说,首先必须掌握能源的基本概念和基础知识。燃料的热值就是中学生初次接触能源问题的其中一个新概念。
燃料热值的得出并不难,只要能够把燃料完全燃烧,并收集燃料完全燃烧后释放的热量,除以燃料的质量,就能计算出燃料的热值了。课本已经给出了一些燃料的热值,但这些燃料都不适合在学校实验室里燃烧。譬如,汽油在实验室里燃烧时火焰太大,收集热量时散失的热量较多,而且燃烧汽油会非常危险。所以,我们尝试把汽油改为花生油,用花生油渗透于棉花里称量质量后燃烧,整个过程能够顺利完成。之后,我们又尝试了用花生作为燃料。我们发现,燃烧花生油和燃烧花生的火焰是一样的,与酒精灯点燃时的火焰差不多,比较安全;由于它们燃烧时火焰小,用加热水的办法来收集热量时,散失的热量极少,可以忽略不计,整个实验过程比较完美,没发现有疏漏之处。但用花生作燃料就更直截了当,而且干净整洁得多。让学生自己来烤花生的实验过程,更使学生充满乐趣,实现了以学生为主体的教学理念,达到了使学生愉快学习的目的。
本文尝试以花生作为燃料,设计探究“燃料的热值”的实验室实验。
单位质量的某种燃料完全燃烧所释放的热量,叫做这种燃料的热值。热值的单位是焦/千克,字母表示是J/kg。
本实验需用器材:天平、砝码、铁架台、铁圈、试管夹、挂棒、石棉网、酒精灯、火机、量筒(50ml)、锥形瓶(50ml)、温度计(100℃)、钢针、花生。
(一)安装器材
铁架台的铁杆由下往上分别固定一个铁圈、一个试管夹、一支挂棒,在铁圈上放置石棉网,把锥形瓶放在石棉网上,让试管夹夹住锥形瓶的颈部,将挂在挂棒上的温度计放进锥形瓶里,温度计的玻璃泡必须尽可能接近锥形瓶的底部,但不能碰到底壁。
(二)实验主要操作过程
实验步骤如下。
1. 把锥形瓶从铁架台上轻轻地拿下来,用天平称量锥形瓶的质量,用m1表示;用量筒量取30ml水,将30ml水倒进锥形瓶里,再用天平称量其总质量,用m2表示。
2. 把装有已知质量的水的锥形瓶放回铁架台原来的位置,并保证温度计的玻璃泡浸没在水里,记录下此时温度计的读数,用t1表示。
3. 用天平称量一粒花生的质量,用m花生表示。用钢针刺着这粒花生,把花生放在酒精灯的火焰上加热,当花生点燃后马上移至石棉网下,给锥形瓶的水加热,直至花生完全燃烧变为灰烬为止。如果花生的火苗熄灭了,可以继续放回酒精灯上点燃,继续移至石棉网下给水加热,直至花生燃为灰烬。然后马上记录此时温度计的读数,用t2表示。
4. 计算30ml水的质量,用m水表示,m水=m2-m1。
5. 计算温度计的读数变化,用Δt表示,Δt=t2-t1。
6. 计算30ml水吸收的热量,用Q水吸表示,Q水吸=c水×m水×Δt=c水×(m2-m1)×(t2-t1)。
7. 因为Q花生放=Q水吸,所以花生的热值可以通过计算Q花生放/m花生得到。
图1是课本提供的一些燃料的热值表。
图2是实验老师测量花生的热值记录表,图3是学生测量花生的热值记录表。
通过对图1、图2、图3的对比,我们发现,学生用自己实验测量得到的数据计算出来的花生的热值指数,与老师测量并计算的花生的热值指数级都是106焦/千克。与课本提供的一些燃料的热值指数级(107焦/千克)相比,食油比燃油的热值少一个指数级,这是合理的。
这个对比,说明我们的创新实验是成功的。
本实验的最大特点是好奇、好玩、容易完成、计算简单。这个实验选取生活食材——花生作为实验燃料来进行完全燃烧,在实验室用托盘天平称量花生的质量比较容易,燃烧一粒花生比较安全,而且可以实现花生的完全燃烧,并能够顺利收集花生燃烧时释放的热量,所以,在学校实验室的条件下,能够完全满足探究燃料热值实验原理的要求,容易达到实验的目的。学生在整个实验过程中,实验目的非常明确,注意力集中,信心满满,始终保持高涨的情绪。每个学生都能独立完成这个实验,并得出基本一致的结果。
实验证明,创新的物理实验能够極大地提高学生对学习物理知识的积极性,也给课堂教学注入了鲜活的生命力,促进了物理课堂教学效率的提高。
六、本实验与新能源开发相关联的问题
新能源的定义,一般指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源,包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能,以及海洋表面与深层之间的热循环等;此外,还有氢能、沼气、酒精、甲醇等。新能源的特点主要有:1. 资源丰富,普遍具备可再生特性,可供人类永续利用;2. 能量密度低,开发利用需要较大空间;3. 不含碳或含碳量很少,对环境影响小;4. 分布广,有利于小规模分散利用;5. 间断式供应,波动性大,对持续供能不利;6. 除水电外,可再生能源的开发利用成本较化石能源高。诸如此类。(选自《BYD比亚迪,成就梦想 怎样运作IT、汽车和新能源》)
煤炭、石油、天然气、水能等已经被广泛利用的常规能源,已经远远不能满足人类对能源的需求,人类必须探索和开发各种新能源。
在不断开发新能源支撑庞大的能源需求的同时,我们必须根据能量守恒定律,思考能源在节约和充分利用的过程中,利用空气污染、废物、有害辐射等危害性能源转化为可循环再用性能源,实现能源的可持续发展。
新能源问题,有待我们不断认识,不断探索。因此,在物理课堂教学过程中,教师要不断进行创新实验,以适应新时代发展的需要。
责任编辑 罗峰
可见,人类在原始社会就会利用能源,并开始了对能源的逐步探索。时至今日,社会科技高速向前迈进,对能源的需求量更是急剧上升。据有关统计资料显示,2008年江门市区的小汽车约为3万辆,2012年末已达96.97万辆,而2016年仅新增汽车就达10.6888万辆。由此可知,能源的消耗正在以四年内超过30倍的速度猛增,预计在不久的将来,能源将会面临短缺。因此,开发新能源是大势所趋。
要想了解能源面临的各种问题,对学生来说,首先必须掌握能源的基本概念和基础知识。燃料的热值就是中学生初次接触能源问题的其中一个新概念。
燃料热值的得出并不难,只要能够把燃料完全燃烧,并收集燃料完全燃烧后释放的热量,除以燃料的质量,就能计算出燃料的热值了。课本已经给出了一些燃料的热值,但这些燃料都不适合在学校实验室里燃烧。譬如,汽油在实验室里燃烧时火焰太大,收集热量时散失的热量较多,而且燃烧汽油会非常危险。所以,我们尝试把汽油改为花生油,用花生油渗透于棉花里称量质量后燃烧,整个过程能够顺利完成。之后,我们又尝试了用花生作为燃料。我们发现,燃烧花生油和燃烧花生的火焰是一样的,与酒精灯点燃时的火焰差不多,比较安全;由于它们燃烧时火焰小,用加热水的办法来收集热量时,散失的热量极少,可以忽略不计,整个实验过程比较完美,没发现有疏漏之处。但用花生作燃料就更直截了当,而且干净整洁得多。让学生自己来烤花生的实验过程,更使学生充满乐趣,实现了以学生为主体的教学理念,达到了使学生愉快学习的目的。
本文尝试以花生作为燃料,设计探究“燃料的热值”的实验室实验。
一、实验原理
单位质量的某种燃料完全燃烧所释放的热量,叫做这种燃料的热值。热值的单位是焦/千克,字母表示是J/kg。
二、实验记录表格以及计算公式
三、实验材料器具
本实验需用器材:天平、砝码、铁架台、铁圈、试管夹、挂棒、石棉网、酒精灯、火机、量筒(50ml)、锥形瓶(50ml)、温度计(100℃)、钢针、花生。
四、实验过程
(一)安装器材
铁架台的铁杆由下往上分别固定一个铁圈、一个试管夹、一支挂棒,在铁圈上放置石棉网,把锥形瓶放在石棉网上,让试管夹夹住锥形瓶的颈部,将挂在挂棒上的温度计放进锥形瓶里,温度计的玻璃泡必须尽可能接近锥形瓶的底部,但不能碰到底壁。
(二)实验主要操作过程
实验步骤如下。
1. 把锥形瓶从铁架台上轻轻地拿下来,用天平称量锥形瓶的质量,用m1表示;用量筒量取30ml水,将30ml水倒进锥形瓶里,再用天平称量其总质量,用m2表示。
2. 把装有已知质量的水的锥形瓶放回铁架台原来的位置,并保证温度计的玻璃泡浸没在水里,记录下此时温度计的读数,用t1表示。
3. 用天平称量一粒花生的质量,用m花生表示。用钢针刺着这粒花生,把花生放在酒精灯的火焰上加热,当花生点燃后马上移至石棉网下,给锥形瓶的水加热,直至花生完全燃烧变为灰烬为止。如果花生的火苗熄灭了,可以继续放回酒精灯上点燃,继续移至石棉网下给水加热,直至花生燃为灰烬。然后马上记录此时温度计的读数,用t2表示。
4. 计算30ml水的质量,用m水表示,m水=m2-m1。
5. 计算温度计的读数变化,用Δt表示,Δt=t2-t1。
6. 计算30ml水吸收的热量,用Q水吸表示,Q水吸=c水×m水×Δt=c水×(m2-m1)×(t2-t1)。
7. 因为Q花生放=Q水吸,所以花生的热值可以通过计算Q花生放/m花生得到。
图1是课本提供的一些燃料的热值表。
图2是实验老师测量花生的热值记录表,图3是学生测量花生的热值记录表。
![](http://img1.qikan.com/qkimages/gdjg/gdjg201802/gdjg20180229-1-l.jpg)
通过对图1、图2、图3的对比,我们发现,学生用自己实验测量得到的数据计算出来的花生的热值指数,与老师测量并计算的花生的热值指数级都是106焦/千克。与课本提供的一些燃料的热值指数级(107焦/千克)相比,食油比燃油的热值少一个指数级,这是合理的。
这个对比,说明我们的创新实验是成功的。
五、实验的意义
本实验的最大特点是好奇、好玩、容易完成、计算简单。这个实验选取生活食材——花生作为实验燃料来进行完全燃烧,在实验室用托盘天平称量花生的质量比较容易,燃烧一粒花生比较安全,而且可以实现花生的完全燃烧,并能够顺利收集花生燃烧时释放的热量,所以,在学校实验室的条件下,能够完全满足探究燃料热值实验原理的要求,容易达到实验的目的。学生在整个实验过程中,实验目的非常明确,注意力集中,信心满满,始终保持高涨的情绪。每个学生都能独立完成这个实验,并得出基本一致的结果。
![](http://img1.qikan.com/qkimages/gdjg/gdjg201802/gdjg20180229-2-l.jpg)
实验证明,创新的物理实验能够極大地提高学生对学习物理知识的积极性,也给课堂教学注入了鲜活的生命力,促进了物理课堂教学效率的提高。
六、本实验与新能源开发相关联的问题
新能源的定义,一般指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源,包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能,以及海洋表面与深层之间的热循环等;此外,还有氢能、沼气、酒精、甲醇等。新能源的特点主要有:1. 资源丰富,普遍具备可再生特性,可供人类永续利用;2. 能量密度低,开发利用需要较大空间;3. 不含碳或含碳量很少,对环境影响小;4. 分布广,有利于小规模分散利用;5. 间断式供应,波动性大,对持续供能不利;6. 除水电外,可再生能源的开发利用成本较化石能源高。诸如此类。(选自《BYD比亚迪,成就梦想 怎样运作IT、汽车和新能源》)
煤炭、石油、天然气、水能等已经被广泛利用的常规能源,已经远远不能满足人类对能源的需求,人类必须探索和开发各种新能源。
在不断开发新能源支撑庞大的能源需求的同时,我们必须根据能量守恒定律,思考能源在节约和充分利用的过程中,利用空气污染、废物、有害辐射等危害性能源转化为可循环再用性能源,实现能源的可持续发展。
新能源问题,有待我们不断认识,不断探索。因此,在物理课堂教学过程中,教师要不断进行创新实验,以适应新时代发展的需要。
责任编辑 罗峰