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        “水的沸騰”實驗中4個問題的分析及改進(jìn)

        2014-12-01 01:54:12胡瑜涵
        物理實驗 2014年7期
        關(guān)鍵詞:橡皮塞燒杯試管

        胡瑜涵

        (衢州市實驗學(xué)校,浙江 衢州324000)

        1 引 言

        在新浙科版《科學(xué)》七年級上冊第四章第六節(jié)“汽化與液化”的備課、教學(xué)以及課后反思過程中,筆者對教材中“水的沸騰”實驗有幾點(diǎn)新的認(rèn)識.在“沸騰”這節(jié)課中,筆者以探究水的沸騰實驗為切入點(diǎn),主要圍繞以下3個核心問題展開教學(xué):1)水沸騰有什么特征;2)水沸騰需要什么條件;3)水沸騰后,如果再繼續(xù)加熱,水溫會不會發(fā)生變化.課前筆者按教材實驗裝置做了多次預(yù)實驗,發(fā)現(xiàn)4個影響實驗時間以及實驗現(xiàn)象的問題,并對此作出分析及改進(jìn).

        2 問題1:實驗所需時間過長

        初次實驗用60mL約60℃的溫水.從給水加熱直到水沸騰,用時近13min.實驗用時過長,將影響課堂進(jìn)度.分析其原因:1)水初溫較低;2)實驗室中只能提供酒精燈加熱,加熱強(qiáng)度有限;3)當(dāng)時室溫16℃,實驗環(huán)境溫度較低,燒杯中的水向外界環(huán)境傳遞熱量,即使用紙片將燒杯口蓋上,熱量也容易散失.根據(jù)問題產(chǎn)生的原因,筆者做出的改進(jìn)措施如下:1)提高水溫,將60℃左右的水換為剛煮沸的開水;2)減少水量,將水量由60mL減少至40mL.再次實驗用時7min.

        3 問題2:實驗中氣泡量過少

        水的沸騰實驗探究的問題之一:水沸騰有什么特征?故水沸騰前后氣泡的變化現(xiàn)象是本實驗主要觀察現(xiàn)象之一.然而根據(jù)問題1中的解決措施改進(jìn)后,發(fā)現(xiàn)實驗過程中氣泡的量較少,導(dǎo)致水沸騰前后氣泡變化現(xiàn)象不明顯.氣泡是由溶解在水中的空氣或是附著在水中雜質(zhì)、燒杯壁上的空氣以及水受熱形成的水蒸汽產(chǎn)生的[1].空氣在水中的溶解度隨著溫度的升高而降低,同理附著在雜質(zhì)或燒杯壁上的空氣亦隨著溫度的升高而減少.因此問題1改進(jìn)措施中使用剛煮沸的水有些不妥.筆者又做如下改進(jìn)措施:1)用加熱到80℃左右的熱水代替剛煮沸的開水,以減少水中空氣的流失;2)在燒杯底部放入約2cm3的碎瓦片,通過增加水中雜質(zhì),從而增加空氣附著量.按上述改進(jìn)措施實驗,氣泡量明顯增加,有利于對實驗現(xiàn)象的觀察.

        4 問題3:氣泡上升時間過短

        在觀察氣泡時,最主要觀察氣泡上升時其體積的變化過程.要使觀察者清楚地觀察到氣泡體積的變化過程,氣泡需有較長的上升距離.而教材上實驗裝置用燒杯裝水,燒杯橫截面積大,且為了提高課堂效率不得不減少水的量.這就意味著燒杯中水的深度淺,氣泡上升距離短,上升過程歷時短,不便于對氣泡體積變化的觀察.

        針對此問題,可以將用于制取氧氣的大試管代替燒杯.大試管橫截面積相對小,裝入相同體積的水,水的深度相對燒杯中水的深度明顯增加.大試管中相同體積的水在沸騰前后氣泡上升的距離大,歷時長,且試管底部與試管上部水的壓強(qiáng)變化相對而言較大,學(xué)生可以更好地觀察到氣泡的變化現(xiàn)象.實驗裝置如圖1所示,試管口塞上雙孔橡皮塞,一孔用于固定溫度計,另一孔用于平衡試管內(nèi)外氣壓.有關(guān)氣泡的實驗現(xiàn)象與預(yù)期的效果一致,氣泡變化現(xiàn)象非常清晰.

        圖1 實驗實物圖

        對筆者任教的班級調(diào)查顯示,在家關(guān)注水沸騰前后現(xiàn)象的學(xué)生很少,學(xué)生對水沸騰前后聲音的變化認(rèn)知模糊.筆者將改進(jìn)后的實驗裝置用于課堂實踐.學(xué)生在實驗過程中能很好地觀察到水在沸騰前后聲音的變化,并辨別出水在沸騰前后聲音.水沸騰之前,從試管底部產(chǎn)生的小氣泡經(jīng)歷了先膨脹再收縮的過程,引起水的振動.當(dāng)大量的小氣泡從試管底部上升時,發(fā)生嘶嘶的聲音.水沸騰時,蒸汽泡穩(wěn)定地升至水面,不再收縮,這時只發(fā)出低沉的沸騰聲音,不再發(fā)出嘶嘶的聲音.通過該實驗,學(xué)生能夠深刻體會到“響水不開,開水不響”.就這一現(xiàn)象,只有在大試管中才能清楚地被觀察者辨別,而在燒杯中則很難觀察.

        5 問題4:沸騰后溫度持續(xù)上升

        用圖1裝置做實驗,雖然能夠更清楚地觀察到水沸騰前后的現(xiàn)象,但是也有弊端.使用雙孔橡皮塞的目的是一個孔用于固定溫度計,另一孔用于平衡大試管內(nèi)外氣壓.想法是正確的,但在實際課堂的實驗過程中,試管中水沸騰后,溫度計內(nèi)液體柱不斷上升,即水沸騰后繼續(xù)加熱,溫度會升高.這與事實真理相違背,易誤導(dǎo)學(xué)生,不利于探究水沸騰的條件以及沸點(diǎn)的引出.問題原因:大試管內(nèi)水汽化速度快,橡皮塞上1個孔不足以平衡大試管內(nèi)外氣壓.從而導(dǎo)致大試管內(nèi)氣壓不斷增大,使得水的沸點(diǎn)不斷升高.相應(yīng)改進(jìn)措施:在橡皮塞上多打幾個孔或在剛好能塞住試管口的形狀規(guī)則的泡沫上打1個小孔用于固定溫度計,再打1個直徑約為1cm的孔用于平衡試管內(nèi)外氣壓,使其不影響試管內(nèi)外氣流的運(yùn)動,消除試管內(nèi)外壓強(qiáng)差.

        課堂中,對水的沸點(diǎn)受氣壓的影響這一知識點(diǎn)的引出稍顯生硬.在學(xué)生探究得出水的沸騰條件之后,不妨可以讓學(xué)生試試將多孔橡皮塞換成雙孔橡皮塞,觀察實驗現(xiàn)象.學(xué)生會得出與問題4中一樣的答案,用雙孔橡皮塞導(dǎo)致水溫不斷上升.學(xué)生會發(fā)現(xiàn),這與之前得出水沸騰時溫度保持不變的結(jié)論不符.從而自然地引發(fā)學(xué)生思考出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因.通過這個小小的附加實驗可以順其自然地引出水的沸點(diǎn)受氣壓的影響,更有意義的是能夠有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng).

        6 結(jié)束語

        通過4次改進(jìn)后的實驗裝置能夠使實驗更好地進(jìn)行,實驗用時短,實驗現(xiàn)象正確、明顯.學(xué)生能夠更清楚地觀察到水沸騰前后溫度、氣泡、聲音3個方面的變化現(xiàn)象,掌握水沸騰的條件.在教學(xué)過程中,非常有必要對實驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行客觀地分析,以實事求是的精神究其原因并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和創(chuàng)新,從而為學(xué)生提供一個又一個更準(zhǔn)確直觀的實驗,同時用切身的實際行動為學(xué)生在科學(xué)探究精神方面做榜樣.

        [1]史偉杰.對水的沸騰實驗中非正?,F(xiàn)象的分析及改進(jìn)[J].新課程(上旬),2011(4):20.

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