空气导热性实验的改进及分析

1、空气导热性实验的改进及分析黄平生 （真光中学 上海200333 ）翁方波 （民办梅陇中学上海200333 ）在初中科学(牛津上海版 )六年级第二学期 学科关于不同物质的导热性教学中，为了引导学生通过实验探索空气的导热性能，教材采用了一个对比加热的实验装置（教材22 页，如图1）。该装置的试管 A 中电发热器在上，温度计玻璃泡在下；试管 B 中电发热器在下，温度计玻璃泡在上。通过给装置中的发热器通电几分钟后，比较平底大试管A 、B内温度计所示的温度差值，给出一个“大试管A 中温度计升温慢，是因为大试管A 内发热器发出的热，是以传导方式往下传递，传热速度慢；而大试管B 中温度计升温快，是因为大试管

2、B 的发热器发出的热，主要是以对流方式往上传递，传热速度快、效果好”的解释，进而帮助学生得出关于“传导与对流均可在空气中发生，但以对流为主。空气的导热性较差”的实验结论。图 1但是在实际教学过程中，一些善于思考的学生提出这样一个疑问： “为什么不能说试管 A 中温度计的升温，是由于发热器的辐射传热引起，而非得说是传导传热引起呢？” “科学 课本为什么在讨论辐射传热时，要否定家庭浴室内浴霸通电放出的热往下传向人体的热的传递，仅仅肯定辐射传热？”（教学参考资料 55 页）。学生总认为教材的设计和老师的解释有点牵强，当教学内容讨论的是辐射传热时（原新综合科学（牛津上海版）第二册172 页“活动 13

3、.15 水的导热性”、“活动 13.16 空气的导热性” ），改编后的科学（ ( 牛津上海版 ) 六年级第二学期） 19页“家用浴霸灯的热传递” ，解释为“浴霸放出的热主要不是通过传导传递的， 浴霸产生的热主要是通过辐射传给我们身体的”；而当教学内容为了讨论“空气是热的不良导体”时，却把上述图1 装置中通电发热器向下的热传递表述成 “热只能通过传导向下传递（教材22 页学习重点对随后内容的影响）”，而不提及辐射传热的作用。 如此的解释让学生感图 2到教材的内容和老师的讲解只是为解释而解释，有些随心所欲， 不能令人信服。 许多任课教师由于没有更好的实验显示与较为合理的说明，也都感觉这是一个很难解

4、释的知识点。为了解决上述教学难点，笔者对图1 的实验装置作如下的改进：在原试管A 、B 中间增加一只同样的试管，其中只插一支温度计，标记为B；原来的试管B 标记为 C，试管 A 、C 中电发热器与温度计玻璃泡保持原来的上下位置，距离都调整到5 厘米；试管 B 的温度计玻璃泡与试管A中的发热器处于同一个水平高度，且距离为5 厘米（如图2）。对改进后的这一实验装置在探测、解释空气中的传导、对流、辐射传热的效果，笔者进行了详细的实验对照。实验开始时三支试管内的初始空气温度都是25（ 5 月中旬），试管A 、 C 中的电发热器接入低压交流电，在连续5分半（ 330 秒）时间内，得到一组数据如表1。表

5、1初始温度实验温度通电时间 (秒 )306090120150180210240270300330根据表 1 得到曲线图 3。从表 1 和曲线图3 中可见，试试管A试管B试管C2525252625332725442825.55429266230.826693126.57532278133.527853427.53527.83628空气中热传递比较管 A 的升温较慢；试管 B 升温最慢；试管 C 则升温很快。温试管C 中温度计升温快度主要是发生对流传热 （空气受1009080706050C试管A试管B试管C热后上升） 的解释， 学生一般没有异议。由于试管 A 和 B 中的温度计玻璃泡距离试管 A

6、内的发热器都是 5 厘米，且辐射传热不需要介质， 并能透过透明40A30B201000306090120150180210240270300330通电加热时间 ( 秒)图 3介质，两者得到的热辐射应该是一样的。可能有学者会质疑电发热器A 的热辐射经过了两支试管壁，会被玻璃吸收而损耗很多，致使温度计A 、B 得到的热辐射的量有差异。本实验装置使用的试管壁很薄（约为1.5 毫米厚），透明度也很高，当光线透过二层试管壁时，除了发生部分折射，我们的肉眼几乎察觉不到光亮度的损耗，与光同为电磁辐射的热辐射在透过二层试管壁时，热辐射的损耗也可以忽略不计。因此我们认为温度计A 和 B 得到试管A 中电发热器的

7、热辐射量应该是接近的。至于传导传热，试管B 中温度计从试管A 中发热器得到的热，经过了多重介质“空气玻璃空气玻璃空气”的传导， 显然在不同介质之间发生传导传热（粒子振动并互相碰撞引起传热）的难度，远远大于只有单一空气介质的试管A 中发热器到温度计A 的传导传热。根据以上分析，可以认为试管B 中温度计的升温是由辐射传热引起，传导传热可以忽略；试管A 中温度计的升温是辐射传热和空气的传导传热共同引起，而由传导传热为温度计A 升温的主要原因（在加热5 分钟 (300 秒 )之际，由发热器的辐射传热导致的升温值为2.8 (27.8 -25 )，由发热器向下传导传热导致的升温值为7.2（ 35 -27.8）（参见表1 数据）。纵上所述，将此改进型“空气的导热性”实验装置提供给学生进行“空气中热的传递研究”的对比实验，可以帮助学生得到如下结论：1. 空气中热传递的主要方式是对流，其效果最好；2. 空气可以通过传导传热，但空气的导热性较差；3. 当发热器体积不大，且温度不太高时，辐射传热的效率不甚明显，其效果比传导传热还差。（辐射传热是一种球