巧用变色油墨 助力学生观察

吴 敏

(江苏省南京市人民中学，江苏 南京 210005)

物理学是以实验为基础的学科，物理概念的建构、规律的发现离不开实验。在实验中，有些现象不容易直接观察，例如做功对物体内能的改变、热传导的方向、滑动变阻器接入电路的有效电阻、影响电流热效应的因素等。笔者以变色油墨作为转换工具，让热无所遁形，从而帮助学生观察实验现象，自主建构物理概念、发现物理规律，提高物理教学效果。

1 变色油墨简介

变色油墨是借助外界的物性(温度、光、压力、磁性等)变化而变色的一种特种油墨，在各行各业中都有广泛的应用。常见的变色油墨有热敏油墨、光敏油墨、水敏油墨等，其中热敏油墨会随着温度的变化而迅速改变颜色，不同颜色代表了着色物体的温度。这种油墨由感温变色颜料与其他助剂混合调制而成，温变颜料从低温到高温，有多种温度区间，根据温度的不同，可分为低温变色(10℃左右)、手感变色(30℃左右)、高温变色(60℃左右)等。图1为一款能变色的玻璃杯，杯身的图案由感温变色材料印制而成，在杯中没有注入热水时，图案呈白色，向杯内倒入热水后，图案就变成了彩色。

图1

2 利用变色油墨显示内能大小的变化

在苏科版教材九年级上册“外界对物体做功”一节中，教材给出了图2、图3所示的实验：用手快速弯折铁丝，感到铁丝发烫；利用空气压缩引火仪，用力将活塞迅速下压，使筒内棉花燃烧，说明外界对物体做功，物体的内能增大，温度升高。但在利用空气压缩引火仪做实验的过程中，向下压缩活塞时，筒内棉花不一定能燃烧起来。为了让学生看到棉花燃烧起来的现象，这时就需要进行第二次甚至第三次实验，给课堂教学带来了较大的影响。为此，我们可以利用注射器和变色油墨来替代这个实验，能达到较好的实验效果。

图2

图3

(1) 如图4所示，将温度升高时由绿色变为黄色的变色油墨(以下简称绿色变色油墨)均匀涂在注射器的内壁上。

图4

图5

(2) 封住注射器前端的小孔，并用力将活塞向前推，使活塞挤压注射器内的空气。

(3) 观察注射器内壁油墨颜色的变化(图5)。

实验发现：当用力将活塞迅速下压时，注射器内壁上油墨的颜色由绿色变成了黄色，说明活塞压缩筒内空气，对空气做功，空气的温度升高，内能变大。

除此之外，还可以利用变色油墨直观地说明外界对物体做功，物体的内能增大，温度升高。

(1) 如图6(a)所示，将上部涂有绿色变色油墨的金属管固定在桌面上。

图6

(2) 将一根布条绕过金属管并来回拉动，摩擦金属管，观察金属管上部油墨的颜色变化。

实验表明：如图6(b)所示，在来回拉动布条摩擦金属管2min后，金属管下部的油墨由绿色变成了黄色；如图6(c)所示，继续快速拉动布条，有更多的绿色油墨变成黄色。说明布条摩擦金属管做功后，金属管的温度不断升高，内能不断增大。

3 利用变色油墨显示热传递的方向

改变物体内能的方式有两种：做功和热传递，而热传递有传导、对流和热辐射三种方式。在苏科版教材中呈现了图7所示的三幅图片，旨在利用图片说明热传递的三种方式。其中，热传导是通过放在热汤碗里的汤勺来呈现的，手摸勺柄感觉勺柄很烫，说明热量是沿着勺体由高温的勺头传递到低温的勺柄的。这个传递过程是学生看不到的，只能通过触摸来感觉，万一热汤的温度很高，导致勺柄的温度很高的话，人在触摸勺柄时就很容易被烫伤。

图7

基于这个原因，可以利用变色油墨来设计实验，直观地显示在热传递过程中热量的传导方向，实验步骤如下：(1) 如图8所示，将一根涂满绿色变色油墨的铜棒固定在铁架台上；(2) 用酒精灯加热铜棒的右端，观察铜棒上油墨颜色的变化及其方向。

图8

实验表明：当给铜棒的右端加热时，铜棒的右端油墨的颜色由绿色逐渐变为黄色，而且这种黄色沿着铜棒慢慢向左端蔓延。说明热量是沿着铜棒由高温的右端向低温的左端传递的，这样的设计让学生很直观地观察了热传导的过程，从而加深了学生对热传递的理解。

4 利用变色油墨显示滑动变阻器接入电路的电阻

在初中电学学习中，滑动变阻器是一个很重要的实验器材，掌握滑动变阻器的工作原理、滑动变阻器接入电路的有效电阻是学好电学的基础。滑动变阻器接入电路的有效电阻是教学中的一个难点，为此，可以利用变色油墨设计实验，巧妙地突破这个教学难点，实验步骤如下：(1) 如图9(a)所示，在滑动变阻器的电阻线圈上均匀涂满绿色变色油墨后，再跟小灯泡串联接在电源两端；(2) 闭合稳压电源的开关，观察到小灯泡发光，说明电路中有电流通过；(3) 让电路工作一段时间，观察变阻器线圈上油墨颜色的变化；(4) 将滑片向右端适当移动一些，通电一段时间后观察小灯泡亮度的变化及变阻器电阻线圈上油墨颜色的变化。

图9

实验表明：如图9(b)所示，通电一段时间后，滑动变阻器滑片左边的电阻线圈上的变色油墨由绿色变成了黄色；当滑片向右移动一些后，灯泡的亮度变暗，再通电一段时间，观察到变阻器线圈上油墨变色范围比原来更大。说明通电后，产生电热使这部分金属丝的温度升高，这样就有力证明了这部分金属丝中有电流通过，因此滑片左边的电阻是变阻器接入电路的电阻，很直观地让学生明白了滑动变阻器中接入电路部分的电阻，加深了对滑动变阻器工作原理的理解，深化了学生对电流和电阻关系的认识，为后面进一步学习欧姆定律、电功和电热打下了很好的基础。

5 利用变色油墨显示影响电流热效应的因素

“探究影响电流热效应的因素”是初中物理教学中一个重要的实验，这个实验所用器材较多，有加热煤油，观察煤油温度升高情况的温度计；有加热气体，观察U形管中液柱高低变化情况的压强计等。我们也可以利用绿色变色油墨来探究影响电流热效应的因素，实验步骤如下：(1) 在定值电阻R1(5Ω)和R2(20Ω)上均匀涂上绿色变色油墨、晾干；(2) 将R1接入电路，闭合开关，调节变阻器使电路中的电流为0.1A，同时开始计时，直到油墨变成黄色时停止计时，记下从开始通电到油墨变色的时间t1；(3) 在上述电路中，调节变阻器使电路中的电流为0.2A，同时开始计时，直到油墨变成黄色时停止计时，记下从开始通电到油墨变色的时间t2；(4) 将电阻R1和R2串联接入电路，闭合开关，调节变阻器使电路中的电流为0.2A，同时开始计时，直到油墨变成黄色时停止计时，分别测出电阻R1和R2从开始通电到油墨变色的时间t3、t4；(5) 比较t1、t2、t3、t4的大小，得出实验结论。

实验表明：(1)t2

6 结语

在物理教学中，我们可以借助一些特别的器材或工具，巧妙运用转换的方法，把一些不容易直接观察的物理现象直观地显现出来，便于学生观察实验现象，发现物理规律，提高物理课堂的教学效果，提升学生的物理学科核心素养。