浅析红外线“红外线热效应”实验改善

苏科版物理教材八年级（上）第四章和人教版物理教材八年级（上）第五章，都设计了“探究红外线热效应”的活动，如图1所示。教材安排意图一则想说明红外线在红光外侧，二则想说明红外线具有热效应。但在实际教学中，教师们普遍反映，无法达到教材所预期的实验现象——温度计的示数根本就不会改变。
为了突破这个难题，笔者查阅了相关资料，并且进行了许多的尝试和研究。笔者发现：将温度计的玻璃泡涂黑，看不出现象；换用电子温度计并且把探针涂黑，现象还是看不出；换用演示用的大三棱镜，现象还是看不出。
图1
这个实验到底能否成功？如果能，应该如何加以改进呢？笔者经过一段时间的研究、尝试，归纳出了如下几点，并且分别进行了改进，以供大家商讨。

一、改进“温度计”，使现象放大更明显

考虑到经过三棱镜折射得到的红外线强度较小，同时普通温度计测温液体比热容和质量都较大且玻璃泡向光面积较小，使得测温液体的膨胀量少，导致现象不明显。下面就对以上缺点进行改进——自制“空气温度计”。
器材准备：收集3～5根透明、细、薄的吸管或已经用尽的细圆珠笔芯，最好是某些药品口服液所用的吸管；少量红色水；5cm×15cm白色硬纸板一块；电工用的黑色绝缘胶带10cm左右。
制作过程：如图2所示，将吸管一端浸入红色水内约0.5cm，用手指堵住上端，将吸管提出，再逐渐倾斜吸管，慢慢松开堵住的手指，使液柱下降约3～5cm左右（视吸管长度而定，如果吸管较长，液柱可以下降的多一点，尽量使封闭的空气柱短一点）。然后将另外一端也用手指堵住，将下端在液态蜡烛油上蘸一下，待蜡烛油凝固后即可。重复再做四根，最好使五根吸管内的液柱在同一高度处，如果有困难，可以在排放时再调节。然后将五根吸管依次靠近摆放在白色硬纸板上，用黑色绝缘胶带将其固定住。黑色绝缘胶带的作用是固定吸管，同时也可使红外线吸收更多一点。建议将五根吸管内的红色液柱调整到同一高度，便于观察和比较。这样，自制“空气温度计”就制作完工了。
图2
使用方法：自制“空气温度计”可以根据需要在竖直方向和水平方向同时使用。由于实验时无法精确定位红外线的位置，因此，实验时可以将自制“空气温度计”的黑色绝缘胶带平放在红光外侧，观察和比较五根吸管内液柱的上升情况来进行实验。由于红外线的吸收需要一定时间，所以在实验过程中，应等待大概50s左右，就会发现液柱有明显上升或者移动。

二、改进红外获取方式，使现象更明显

在常规实验中，使用的三棱镜单个表面透光面积都比较小，导致折射得到的红外线强度也较小。为了能使“红外线的热效应”现象明显显示，就要通过改进获取方式得到更多的红外线，同时将其强度增加。
依据：通过查阅相关资料获知，化学中的二硫化碳和四氯化碳都能很好地透过

3.4μm波长的红外光；球形容器注有液体后可以对光线具有汇聚作用。

器材准备：容量200ml，口径14mm的短颈圆底烧瓶一个（也可以选用其他规格），带对应软塞；200ml左右的二硫化碳或四氯化碳（二硫化碳或四氯化碳常态下都是液体，有毒，需要注意安全保护）；黑色碳素墨水一瓶；滴管一支；适量石蜡；普通温度计（或电子温度计）一支；白色硬纸板一块；双面胶若干；笔一支。
制作过程：如图3所示，将短颈圆底烧瓶注满水，按如图所示组装。将白色硬纸板用双面胶固定在铁架台底座上（也可以直接在地上放一张白纸）。通过上下调节支架，使得太阳光在白色硬纸板汇聚成较小的亮斑，用笔标上记号为A。将短颈圆底烧瓶内的水倒掉，注入适量的二硫化碳或四氯化碳（大约180ml左右），用滴管向短颈圆底烧瓶内加注黑色碳素墨水适量（视颜色而定，感觉黑的可以即可），稍微摇晃一下，使其充分混合，然后用塞子塞紧，最后用石蜡将塞口密封。
图3
实验方法：将注有适量二硫化碳或四氯化碳的短颈圆底烧瓶再次组装到铁架台上，夹子所夹位置与第一次吻合。这时太阳光中的可见光都被瓶内液体吸收，透过的几乎全部是红外线。但是由于红外线的波长比可见光长，其频率比可见光低，所以通过短颈圆底烧瓶后折射角度比可见光小，因此红外线的汇聚点应该在A点右侧。
将普通温度计的玻璃泡用黑色碳素墨水涂黑（或将电子温度计的探针涂黑）将其放置在A点右侧缓慢移动，寻找红外线的汇聚点，很容易就发现温度计的示数有较大上升。

三、改进红外光源，使现象更明显

太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为（0.75-1）～（2.5-3）μm之间；中红外线，波长为（2.5-3）～（25-40）μm之间；远红外线，波长为（25-40）～l000μm之间。如果天气不好，或其他原因，以上改进无法满足的情况下，可以通过改进“红外线光源”来完成实验。
可以替换太阳光中红外线的光源有：
1.白炽发光区（Actinic range），又称“光化反应区”，由白炽物体产生的射线，自可见光域到红外域。如白炽灯泡（钨丝灯，TUNGSTEN FILAMENT LAMP）。

2.卤素灯所发出的光95%在红外线波长的范围之内，能量特性基本上与红外线灯相同。

3.热体辐射区（Hot-object range），由非白炽物体产生的热射线，如电熨斗及其他的电热器等，平均温度约在400℃左右。也可以将普通铁球加热之后替代。
以上的前两个“红外光源”可以直接和改进二进行结合使用，实验现象经过检验非常明显，而且可以使用普通温度计，将玻璃泡涂黑。对于第三个“红外光源”，以加热后的铁球为例，可以进行以下简单改进，如图4所示。
图4
铁球位置应该在凹面镜焦点位置，该位置可以用小灯泡或蜡烛火焰来测定。另外，铁球加热温度不要太高，也不要太低，可以加热几次尝试一下，以碰到水就能使水快速汽化为标准。

四、操作建议和注意事项

1.在自制“空气温度计”的环节中，可以找一些较长的管子，但是粗细仍然要注意，不要选择内径大的，应该选择内径小一点的。在制作时，让液柱距学术论文下载www.618jyw.com
离顶端有一段距离，这样可以和改进二中的器材配合使用，否则容易把液柱全部排挤出吸管。
2.在“改进红外光源”环节中，一定要特别注意安全。二硫化碳和四氯化碳都有毒，因此在操作时要戴口罩和手套，并且请化学实验员帮助进行。此外，二硫化碳极易燃烧，所以在操作过程中一定要远离明火，注意安全。

3.如果化学实验室没有二硫化碳或四氯化碳，也可以换用其他“红外线光源”。

以上各部分的改进可以根据实际情况进行组合使用，如果选择了较大强度的“红外线光源”，就不要自制“空气温度计”了，因为现象很明显，会很容易就把液柱排挤出管外，采用普通温度计将玻璃泡涂黑即可。