顏　沸　莫　濱

(1.江蘇省南京市蓮花實驗學(xué)校，江蘇　南京　210041；

2.江蘇省南京市第十八中學(xué)，江蘇　南京　210041)

①本文系中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會2013年-2016年全國物理教育科研重點課題“中學(xué)物理實驗研究”、南京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2011年度課題“信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的研究”( 編號：L/2013 /195)之階段性研究成果。

關(guān)于“觀察水的沸騰”實驗裝置的改進①

顏沸1莫濱2

(1.江蘇省南京市蓮花實驗學(xué)校，江蘇南京210041；

2.江蘇省南京市第十八中學(xué)，江蘇南京210041)

①本文系中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會2013年-2016年全國物理教育科研重點課題“中學(xué)物理實驗研究”、南京市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2011年度課題“信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的研究”( 編號：L/2013 /195)之階段性研究成果。

摘要：“觀察水的沸騰”實驗是蘇科版教材第二章物態(tài)變化中的內(nèi)容，課程標準要求學(xué)生掌握水的沸騰特點，特別是水沸騰時溫度不變這一知識內(nèi)容.筆者在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)此教材中的水沸騰實驗裝置存在一些問題：酒精燈的火焰較小，使水溫上升太慢，實驗時間偏長，學(xué)生在分組實驗中測量沸水的溫度不一樣，水沸騰前幾乎沒有聲音.因此筆者認為可使用玻璃電熱水壺取代現(xiàn)有的實驗裝置.

關(guān)鍵詞：水沸騰實驗；物態(tài)變化；玻璃電熱水壺

筆者在指導(dǎo)學(xué)生做蘇科版教材第二章《物態(tài)變化》的“觀察水的沸騰實驗”分組實驗時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的實驗裝置存在一些問題，從而給我們的教學(xué)帶來一些困難.用酒精燈給燒杯中的水加熱這個實驗裝置用了很多年，筆者認為隨著科學(xué)技術(shù)的進步，玻璃電熱水壺變得越來越普及，可使用它取代現(xiàn)有的實驗裝置.

1目前水沸騰實驗存在的問題

1.1　酒精燈的火焰較小，使水的溫度上升太慢，實驗時間過長

筆者選用250毫升的燒杯中裝入200毫升的水，水的初溫是26℃,加熱15分鐘水開始沸騰，為了縮短實驗時間，我們可以采用在燒杯上加個紙片做的蓋子以減小熱量的散失、減少水量或者提高水的初溫等方法，但是這些方法或多或少都存在一些問題.

首先，在燒杯上加個紙片做的蓋子這種方法.各實驗小組的硬紙片蓋住杯口的密封情況不一樣，由于大氣壓的影響會導(dǎo)致各小組的學(xué)生測量沸水的溫度也不一樣，而初二學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)大氣壓強，此干擾因素為教學(xué)帶來困難，無法有效地解決本節(jié)的教學(xué)重點.

其次，采用減少水量的方法.由于水量較少，氣泡上升的距離變短，沸騰前和沸騰時氣泡大小的變化現(xiàn)象不易觀察.

最后，筆者選用提高水的初溫的方法，這要求教師在課前準備好溫水或熱水，帶入實驗室，課前準備比較麻煩.

1.2　學(xué)生在分組實驗中測量沸水的溫度不一樣

圖1

我們往往向?qū)W生解釋這一現(xiàn)象是溫度計測溫不準造成的，圖1是筆者將兩個溫度計放在沸水的同一深度拍攝的照片.發(fā)現(xiàn)一個溫度計的示數(shù)是100℃，而另一個是102℃，相差了2℃.同時筆者發(fā)現(xiàn)溫度計放入水的位置不同是造成學(xué)生在分組實驗中測量沸水的溫度不一樣這一現(xiàn)象的另一個主要原因.筆者將上圖左邊的溫度計(此時溫度示數(shù)是100℃)向下移動，發(fā)現(xiàn)示數(shù)最終上升到了102℃.可見沸騰時燒杯中各位置水溫不一樣.筆者認為造成這一現(xiàn)象的原因是由于酒精燈火焰單位時間放出的熱量偏少，沸騰時水的對流相對較慢，即使水在沸騰，燒杯中的不同位置的水溫也有較大的溫差.要解決上述問題，首先可以通過教師在課前選擇較接近的溫度計來解決.先把不同溫度計懸空放置，把示數(shù)接近的溫度計選出來作為分組實驗的器材.其次教師可以要求各實驗小組的溫度計要統(tǒng)一放置的方法來解決.例如統(tǒng)一放置在液泡剛沒入水中的位置，同時要求各小組燒杯中水量統(tǒng)一.

1.3　水沸騰前幾乎沒有聲音

水在沸騰的時候聲音比在水沸騰前聲音大，與我們希望學(xué)生得出“開水不響，響水不開”這一結(jié)論不符.家庭燒水時，水沸騰前聲音較大，這是由于水壺盛水前，壺壁上吸附著一層空氣，加入水后，這層空氣就變成了無數(shù)微小的氣泡.因吸附力大于氣泡受到的浮力，故水并不能使它們脫離壺壁.當(dāng)水溫升高時，氣泡周圍的水在氣泡內(nèi)蒸發(fā)，使汽泡體積增大，當(dāng)溫度達到七、八十?dāng)z氏度時，變大的氣泡受到的浮力超過了吸附力，它們就要離開壺壁紛紛上升，同時在壺壁上仍遺留下一部分空氣，這部分空氣會以更快的速度增加體積而上升.上升的氣泡遇到周圍的涼水，氣泡里的水蒸氣就要液化，使氣泡迅速變小或破裂.由于無數(shù)氣泡在壺底急劇膨脹，又在上升中迅速變小，壺里的水就處于激烈的振動狀態(tài)，進而又引起了空氣的振動，形成了水聲.由于氣泡體積大小交替變化非?？欤顾恼駝宇l率高，水聲的音調(diào)也就高.后來，由于壺里各處的水溫相差越來越小，氣泡體積大小交替變化也越來越慢，進而引起的水聲的音調(diào)就要逐漸變低.沸騰時，氣泡在水面上破裂，引起了水面大幅度的翻騰，由此而引起的空氣振動頻率遠不如前者的高，水聲的音調(diào)也就低了.

而實驗室中由于酒精燈的火焰較小，單位時間放出的熱量較少，使得燒杯中的水的振動不是太劇烈，從而產(chǎn)生的聲音很小，這就是我們在利用酒精燈加熱時，燒杯中的水在沸騰前幾乎聽不到聲音的原因.

1.4　水在沸騰時，溫度還在慢慢上升

學(xué)生對數(shù)據(jù)分析時就容易得出：“水沸騰時溫度會緩慢上升”這樣一個錯誤的結(jié)論，也與我們教學(xué)的預(yù)設(shè)不符.我們的結(jié)論是“水沸騰時溫度不變”，可是筆者通過觀察，發(fā)現(xiàn)水在沸騰后，溫度的確還在慢慢上升，我們只好向?qū)W生解釋“溫度上升這段時間內(nèi)，水還沒有真正沸騰”.這樣的解釋很牽強，也不嚴謹.筆者分析，水中氣泡越上升越大時，水只是局部沸騰,水的中層或中下層的溫度已達到沸點并開始沸騰，同時上升的沸水遇到周圍溫度相對較低的水后又停止沸騰.所以在水的中上部確實會出現(xiàn)溫度繼續(xù)上升的現(xiàn)象.

以上的四個問題還是要歸結(jié)到酒精燈火焰單位時間放出的熱量偏少，沸騰前后水的對流較慢，單位時間出現(xiàn)在燒杯底部的氣泡較少，產(chǎn)生的聲音就很弱了.同時沸騰時局部的水已經(jīng)沸騰，而有的地方水溫還沒有達到沸點.

2對觀察水的沸騰實驗的改進

圖2

選用玻璃電熱水壺替代課本上的酒精燈加熱裝置(如圖2所示).玻璃電熱水壺額定容量為1.5升，額定功率為1800瓦.選擇玻璃電熱水壺替代課本上的酒精燈加熱裝置的理由有四：

2.1　縮短了實驗的時間

筆者使用普通酒精燈給200毫升初溫為26℃的水加熱，用了15分鐘才將水加熱至沸騰.而使用玻璃電熱水壺給1500毫升初溫為26℃的水加熱僅用了5分多鐘就將水加熱至沸騰，實驗時間節(jié)約了將近10分鐘.

2.2　實驗效果明顯，水沸騰前聲音很大

在距燒杯和玻璃電熱水壺3厘米處，筆者使用手機分別拍攝了水在沸騰前后的兩段視頻，并用Cool Edit軟件進行分析，結(jié)果表明使用玻璃電熱水壺給水加熱，沸騰時聲音的響度是酒精燈加熱下水沸騰時的10倍，結(jié)果符合預(yù)期.

2.3　溫度計放置在水下的各個位置的溫度相差不大

由于玻璃電熱水壺中水在沸騰時翻滾很劇烈，溫度計放置在水下的各個位置的溫度幾乎相同.不需要刻意地強調(diào)將溫度計放在水下一定深度，我們只需要告訴學(xué)生將溫度計浸沒在水中偏上的位置即可.

2.4　學(xué)生很容易觀察到沸騰前和沸騰時氣泡上升時的變化情況

由于水壺中水的深度達到了11厘米，而使用250毫升的燒杯中裝入200毫升的水，水的深度只有5.6厘米，玻璃電熱水壺中水的深度幾乎是原來水深的兩倍，學(xué)生很容易觀察到沸騰前和沸騰時氣泡上升時的變化情況.筆者發(fā)現(xiàn)沸騰前玻璃電熱水壺容器底部聚集了大量的較大的氣泡，當(dāng)這些氣泡上升時，氣泡迅速減小.

2.5　提高了實驗的安全性

玻璃電熱水壺底座直徑達到了13厘米，并加裝了四個吸盤，實驗時玻璃容壺內(nèi)有1.5千克的水，整個實驗裝置的重心很低，相比于教材的實驗裝置更加穩(wěn)定安全.

3建議

在分組實驗時，學(xué)校實驗室的學(xué)生課桌上都配有帶過載保護的220V電源插頭，所以使用時還是很方便安全的，此外玻璃電熱水壺還可以用于“探究物質(zhì)吸熱升溫的屬性”這個實驗，當(dāng)然研究的物質(zhì)最好將沙子換成煤油，筆者建議在分組實驗時使用玻璃電熱水壺取代現(xiàn)有的“觀察水的沸騰”實驗裝置.

參考文獻：

[1]趙明亮．沸點與壓強關(guān)系的演示實驗改進[J]．物理教學(xué)，1991,(4).

[2]顧兆儒，劉敦．對“觀察水的沸騰”實驗裝置的改進意見[J]．物理教學(xué)，1998,(10).

[3]崔紅．淺談“水的沸騰”實驗[J].中學(xué)物理,2010,(1).

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