走出理解内能的误区内能是初中热学部分的重要概念之一,是初中物理教学中的一个难点。
由于内能的概念很抽象,并且与温度、做功、热传递之间存在着较为复杂的关系,所以学生对于内能概念的理解往往是片面的,表现在处理具体问题时常有顾此失彼和捉摸不定的感觉。
本文对于理解内能的常见误区进行简要分析,供参考。
误区一:关于“吸收热量和温度”由于受到生活“经验”的干扰,大多数学生都认为“物体吸收热量温度一定升高”。
部分学生能够理解“物体吸收热量温度可以保持不变”,但是很少学生对“物体吸收热量温度可以降低”表示认同。
事实上,在不涉及做功的情况下,物体吸收热量有的温度升高,还有的可以不变或降低。
例如,一般情况,物体吸收热量温度升高。
但是晶体熔化、液体沸腾的过程中吸收热量温度保持不变;汽化、升华的过程中吸收热量的物体温度降低,汽化、升华的物理过程都有致冷作用。
误区二:关于“温度和内能”教材中介绍物体的内能和温度有关,温度越高,物体内部分子的热运动越剧烈,物体的内能就越大。
所以学生容易产生“物体的温度不变,内能也就保持不变”的错误认识。
物体的温度变化,内能一定变化。
但是物体的温度不变,内能可以不变,也可以增加,还可以减小。
例如,一般情况下,物体的温度不变,内能不变;但是晶体在熔化过程中,吸收热量,温度保持不变,内能增加;相反在凝固过程中,放出热量,温度保持不变,内能减小。
误区三:关于“做功、热传递和内能”1.改变物体的内能有两种方式;做功和热传递,并且做功和热传递对于改变物体的内能是等效的。
初中学生的思维缺乏严密性,在解决具体问题时往往顾此失彼。
例如,认为“物体吸收热量内能一定增加,物体对外做功内能一定减小”等。
2.因为热传递是内能间的转移,所以在没有做功的参与情况下,物体吸收热量内能一定增加,放出热量内能一定减小;但是在没有热传递的情况下,外界对物体做功,物体的内能不一定增加,即机械能不一定转化为内能。
例如,用力提起物体,对物体做功使得物体的机械能增加,而内能本身没有变化。
如果是做功使物体内能变化。
外界对物体做功物体的内能增加,物体对外界做功内能减小。
常见做功使物体内能增加的情况有:压缩气体做功,克服摩擦做功。
物体对外做功使物体内能减小的情况是气体膨胀对外做功。
误区四:关于“热量和内能”有的学生认为“热量就是内能”。
热量和内能是两个不同的物理量。
热量是在热传递过程中传送能量的多少,是一个过程量,只有在热传递的过程中才有意义。
不能说“物体含有热量,具有热量”。
内能是物体内所有分子做无规则运动的动能和分子间相互作用的势能的总和,它和物体的质量、温度等因素有关。
一切物体都有内能。
误区五:关于“机械能和内能”1.部分学生认为“物体的运动速度越大,它的内能就越大”这个错误认识是由于学生没有把宏观概念和微观概念区分开的缘故。
物体宏观的机械运动情况决定物体的机械能,物体微观的分子热运动和分子间的相互作用决定物体的内能。
所以物体的运动速度和它的内能没有直接的关系。
2.一个物体的内能减少,一定有另一个物体的内能增加”。
这个错误的产生反映学生对于能量之间的转化或转移关系模糊不清,可以从以下几个方面来认识:首先,机械能和内能可以相互转化,主要通过做功来实现。
例如,物体沿粗糙的斜面滑下;流星坠落和大气层摩擦等情况下机械能都减小转化为物体间的内能。
再如,壶内热汽推动塞子运动,自身内能减小,转化为塞子的机械能。
其次,有时机械能不转化为内能。
例如,人造卫星在大气层外运动;忽略空气阻力的物体的下落运动都只有动能和势能间的相互转化,而机械能的总量保持不变,不转化为内能。
再次,物体的内能减少,可以转化为机械能或其他形式的能。
例如,热蒸汽膨胀推动活塞运动,对外做功,自身内能减小,部分转化为活塞的机械能。
部分转化为活塞的内能。
冰雪灾害话“融雪”今年1月我国南方出现了五十年不遇的冰雪灾害天气,特别是南北大动脉中心的湖南,雨雪连同冰冻,出现了大面积的电力紧张、机场关闭、长短途交通中断,火车因为电力设施受到冰冻损害而中断。
在各种媒体的报道中,经常提到“洒盐融雪”一词,这属于融雪的一种常用方法,涉及到物理和化学两个学科。
笔者对“融雪”作了资料收集和整理:一、融雪剂的分类目前国内外普遍将融雪剂主要分为两大类,一类是以醋酸钾为主要成分的有机融雪剂,虽然这一类融雪剂融雪效果好,没有什么腐蚀损害,但它的价格太高,一般只适用于机场等地。
而另一类则是氯盐类融雪剂,包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等,通称作“化冰盐”。
它的优点是便宜,价格仅相当于有机类融雪剂的1/10,但它对大型公共基础设施的腐蚀是很严重的。
二、融雪剂的使用融雪剂使用一般有雪前喷洒和雪后喷洒两种方法。
雪前施用融雪剂,可以防止雪降落后结冰于路面,是除雪方法的新潮流。
这种方法的优点是成倍地节省融雪剂的使用量,加快除雪速度,减少对交通的影响。
雪后施用融雪剂是传统方法,也是常用方法。
雪后喷洒融雪剂的施用量要根据降雪类型,雪量的大小和天气状况等等条件决定。
为了避免浪费,可以先用扫雪机将路面积雪除去一部分,然后喷洒融雪剂,这样就可以大大节省成本。
根据除雪区域采用不同的融雪剂。
可以在普通道路泼洒一般的融雪剂:立交桥上泼洒有缓蚀剂的融雪剂,在郊区道路和高速公路可以撒粉末状的氯化钙融雪,避免结晶使路面打滑。
融雪剂与除雪机械合用。
此外,还常往路面上撒煤渣,一是为了增加摩擦力。
煤渣撒在路面上,摩擦力增大了,汽车和人在路面上走就不那么滑了。
另外,煤渣容易吸热,往雪上撒煤渣,雪就化得快了,太阳一晒,路面干得也快。
三、融雪剂的作用原理简单地说,融雪剂的作用原理是利用盐水的凝固点比水的凝固点低的特点,实际上雪是在不断融化和凝固的,只不过二者速度相等,处于一种平衡状态,撒上盐以后,雪周围的水就便成盐水,但又未能凝固,这样雪就会不断融化,并会越来越少了。
深入一点说,溶解是一个物理化学过程,当溶质溶解在溶剂中形成溶液后,溶液的性质已不同于原来的溶质和溶剂。
溶液的某些性质与溶质的本性有关,如颜色、导电性等。
但是溶液的另一类性质,如蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低及渗透压,只与溶液中溶质粒子的浓度有关,而与溶质的本性无关。
由于这类性质的变化,只适用于稀溶液,称为稀溶液的依数性,如化冰盐的水溶液的凝固点随着盐的浓度增加而降低,一直降低到冰盐合晶点,稀溶液的凝固点、沸点具有依数性,它与每1000 g 溶剂中含溶质的物质的量的值有关,每上升1 mol/1000 g水,凝固点下降大约1.86℃。
如若1000 g水中溶有58.5 g NaCl,也就是大约1mol,。
此盐水的凝固点便大约是-3.72℃,这样可由盐水的浓度大致推出其凝固点。
四、融雪剂的环保问题据资料称我国哈尔滨、沈阳、天津、北京这些北方城市,每年耗用几千吨或万余吨化冰盐,石家庄、济南、武汉、南京也用此融雪,就连风景如画的西子湖畔杭州,也对交通要道、立交桥喷洒融雪剂;作为世界遗产地的黄龙景区,仅一段40公里路面就用去融雪剂10吨,而瘦西湖畔的扬州,有报道称也用了1500 t融雪剂。
由此可见,融雪剂的使用相当广泛。
但其引起的环保问题同样值得关注。
1.污染饮用水源。
路面融雪剂融化后,随雪水流淌,可能会促使土壤盐碱化,污染地下水,污染饮用水源,影响饮用水安全,危害人体健康。
据报道,广东韶关乳源县一带的居民的饮用水已经由于融雪剂污染而遭遇饮水难。
2.腐蚀公共基础设施。
由氯离子与钠、钙、镁、钾及其他金属形成的化合物,统称氯盐,对建筑工程都有腐蚀性,称之为“盐害”。
因为氯盐最主要的破坏作用是对钢筋的腐蚀。
当氯离子到达钢筋表面并超过一定量(临界值)时,原处于钝化状态的钢筋,就会活化、腐蚀。
锈蚀产物的发展与体积膨胀(2~6倍),使混凝土保护层发生顺钢筋开裂、脱落,工程处于危险状态。
这后果是相当可怕的。
同时,撒盐后形成的盐水也会造成绿化植被大面积死亡的现象,对城市地下水资源的污染同样很严重。
2002年北京就出现了这种情况,因此撒盐后,要禁示将含有融雪剂的冰雪堆放于绿地、树池及其他融化后有可能影响植物生长的地区内,黑冰黑雪应及时清除外运。
近年所用的融雪剂氯化钙对植物而言,其摧毁力远比以前用的氯化钠(即食盐)要轻微,但由于用量太大,反而比往年用氯化钠所枯死的树木大幅增长,并且目前融雪剂还没有明确的环保指标,产品极不规范,不少是所谓的“国内先进”、“国内领先”的融雪剂的宣传对各地产生误导。
现在欧美国家目前的主要做法是尽量使用铲雪车机械扫雪,少用融雪剂,以保护雪水资源。
美国一些州已经彻底禁止使用盐来融雪,而是在机械铲雪后,在道路上洒碳渣、粗沙、树枝渣类物质来防滑,同时利用这些渣类物质的深色来吸收太阳的能量,以帮助增加地面的温度来融雪。
使用后的碳渣、树枝渣可以放入道边的绿地中,成为改善绿地土质的好帮手。
测量温度的方法提及测量温度,我们会很自然地想到体温计和家用温度计。
前者是用来测量身体温度的,后者是用来测量室内温度的,这两者都是要求与被测对象直接接触,但对于太阳、地核以及其他无法直接测量的环境,我们又该如何测量呢?在这些极冷、极热迥然不同的环境中,所有测量温度的方法都不相同。
但是,科学家都在使用相同的物理定律和已知物质世界的知识来推断那些未知的世界。
测量地核温度的最好方法是利用地震和由此产生的地震波。
这类波的速度与波通过铁的速度是非常接近的,而且由于波的速度也取决于铁的温度,所以通过测量波通过地核所花费的时间,我们就能大致得知地核有多热。
比如,印度发生地震时,科学家们精确地记录下地震波到达美国的地震记录仪所花费的时间。
其他一些科学家则进入实验室,测量地核中发现的铁在那么高的温度条件下的行为表现。
因为我们知道波有多大变化,而且也知道了要产生那么大变化的铁有多热,由此就能够计算出地核的温度大约为5260℃。
科学家们靠检测太阳的颜色来测量其温度。
就像在对灼热的铁块进行加热时,它会由红色变为白色。
同样,太阳的颜色也和其温度有很大的关系。
这是因为有一条物理定律,把灼热物体的温度与特定的颜色联系起来。
令人惊奇的是,这条物理定律并不随被检测对象的不同而变化。
如果能够让木头足够热而不使其燃烧,它的发光方式与铁几乎一样的。
由于太阳是一个明亮的黄色火球,而我们知道一个黄色发光体的温度,由此就能知道太阳表面的温度为5540℃。
其它的极端环境需要不同的方法来探明其温度。
比如,依靠检测埋藏在格陵兰岛冰层中放射性元素的含量,我们就能够得知它们在最后一次冰河时期有多热。
麦哲伦飞船探测金星表面时依靠的是无线电波。
当麦哲伦飞船通过该行星时,向金星发出一系列无线电信号,然后由地球上的观测者测量信号在通过金星大气层时所发生的变化,从收集到的从多特性中,分析出它的温度。
不论遇到什么挑战,即使当常规温度计不能用时,物理学家们也总能够很快构思出解决问题的方法,以帮助他们测量宇宙万物的温度。