任少鐸
摘? ? 要:初中物理教材中液體沸點(diǎn)與氣壓關(guān)系的演示實(shí)驗(yàn),具有一定的危險(xiǎn)性且相關(guān)現(xiàn)象的可視化程度不高。通過(guò)深入研究分析,選取合適器材,對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一定的改進(jìn),在提高實(shí)驗(yàn)安全性的同時(shí),又高度可視化地呈現(xiàn)了相關(guān)現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞:沸點(diǎn);氣壓;實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號(hào):1003-6148(2019)6-0045-3
1? ? 教材中的實(shí)驗(yàn)
目前對(duì)于“液體壓強(qiáng)與沸點(diǎn)的關(guān)系”這一知識(shí)點(diǎn),各版本教材的編排并不相同。人教版[1]、蘇科版[2]、滬粵版[3]將其安排在八年級(jí)下冊(cè)《大氣壓》一節(jié)(學(xué)生已經(jīng)在八年級(jí)上冊(cè)學(xué)習(xí)了汽化與液化的知識(shí));滬科版[4]安排在九年級(jí)《汽化與液化》一節(jié)(學(xué)生在八年級(jí)下已經(jīng)學(xué)習(xí)了大氣壓的知識(shí));北師大版[5]安排在八年級(jí)上《汽化與液化》一節(jié)(此時(shí)學(xué)生還未學(xué)習(xí)大氣壓的相關(guān)知識(shí));教科版[6]并未講解該知識(shí)點(diǎn)。對(duì)此知識(shí)點(diǎn),只有蘇科版和滬粵版兩個(gè)版本有安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和安排都可以在教材中看到。
筆者經(jīng)過(guò)思考決定在新授課時(shí),采用初中階段一直強(qiáng)調(diào)的控制變量法,在其他條件不變的情況下,只改變氣壓,研究沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系,并用可視化的方式呈現(xiàn)溫度和氣壓的具體數(shù)據(jù),讓初中學(xué)生能夠直觀地感受和體驗(yàn) “氣壓越大,沸點(diǎn)越高;氣壓越小,沸點(diǎn)越低”這一現(xiàn)象,而不是靠記憶。
2? ? 選取合適器材,改進(jìn)課本實(shí)驗(yàn)
2.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材
整個(gè)裝置主要由鐵架臺(tái)、酒精燈、石棉網(wǎng)、雙孔橡膠塞、兩用打氣筒、有孔的橡膠塞(孔未打穿)、金屬導(dǎo)管、電子溫度計(jì)(圖1)、不銹鋼真空表(圖2)、高硼硅材質(zhì)的抽濾瓶(圖3)、塑料軟管等構(gòu)成。
先把橡膠塞(材質(zhì)軟的)按照金屬導(dǎo)管和電子溫度計(jì)探針的尺寸打兩個(gè)孔,并把導(dǎo)管和探針穿過(guò)橡膠塞。在橡膠塞上涂適量凡士林后塞住抽濾瓶瓶口(凡士林可保證裝置的氣密性良好),并用銅絲把橡膠塞固定在抽濾瓶(圖3)上,以避免高壓時(shí)塞子彈起。用真空表專用配件的金屬緩沖管一端用鋼鋸鋸斷以便連接塑料軟管,另一端連接真空表的螺旋接口,并用塑料薄膜包扎以密封(如圖4)。
把酒精燈置于鐵架臺(tái)的底座上,在適宜的高度固定鐵圈和石棉網(wǎng),在石棉網(wǎng)上放抽濾瓶,并用試管夾把抽濾瓶固定在鐵架臺(tái)上,在瓶中加適量的水,并在水中加入幾片小橡膠顆粒(橡膠塞打孔留下的),雙孔橡膠塞其中一個(gè)孔插入金屬導(dǎo)管,另一個(gè)孔插入電子溫度計(jì)的探針。抽濾瓶側(cè)面的導(dǎo)管通過(guò)軟管與不銹鋼真空表相連,裝置框架圖及實(shí)物圖如圖5。
2.2? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
先用酒精燈把水加熱至92 ℃左右,水并未沸騰,然后用兩用氣筒通過(guò)橡膠塞上的金屬導(dǎo)管從抽濾瓶?jī)?nèi)抽氣,使其內(nèi)部氣壓降低,發(fā)現(xiàn)水開始沸騰,此時(shí)不銹鋼真空表指針左偏,顯示瓶?jī)?nèi)氣壓小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,通過(guò)控制抽氣的頻率,可以讓水溫保持在91 ℃左右持續(xù)沸騰,此現(xiàn)象說(shuō)明“水的沸點(diǎn)隨氣壓的降低而降低”,如圖6。
拔掉打氣筒,使抽濾瓶?jī)?nèi)的氣體通過(guò)塞子上的金屬導(dǎo)管與外界連通,發(fā)現(xiàn)水停止沸騰。繼續(xù)加熱,待水溫達(dá)到100.1 ℃又繼續(xù)沸騰,不銹鋼真空表指針指向中間,顯示此刻瓶?jī)?nèi)氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。若無(wú)外界干擾,水會(huì)保持在100.1 ℃持續(xù)沸騰。
用兩用氣筒通過(guò)橡膠塞上的金屬導(dǎo)管向抽濾瓶?jī)?nèi)打氣,推動(dòng)打氣筒手柄兩次即可使瓶?jī)?nèi)氣壓達(dá)到1.3個(gè)大氣壓。不拔掉兩用氣筒,但停止打氣,會(huì)發(fā)現(xiàn):因?yàn)橄鹉z塞上的金屬導(dǎo)管被兩用氣筒堵住,隨著酒精燈加熱,不銹鋼真空表指針右偏越來(lái)越多,顯示瓶?jī)?nèi)氣壓仍在持續(xù)升高,水再次沸騰時(shí),水溫為107 ℃左右,此現(xiàn)象說(shuō)明“水的沸點(diǎn)隨氣壓的升高而升高”。拔掉打氣筒,使抽濾瓶?jī)?nèi)氣體通過(guò)金屬導(dǎo)管與外界連通,水立刻劇烈沸騰,且溫度急劇下降。
待水溫降到100.1 ℃后,不再下降,且持續(xù)沸騰。用單孔橡膠塞(未打穿)套在金屬導(dǎo)管上,使瓶?jī)?nèi)氣體與外界隔絕,以此來(lái)可視化地模擬高壓鍋原理。發(fā)現(xiàn)隨著酒精燈繼續(xù)加熱,不銹鋼真空表指針持續(xù)右偏,顯示此刻瓶?jī)?nèi)氣壓逐漸升高,在此過(guò)程中,水保持微弱沸騰??梢钥吹?,“高壓鍋”內(nèi),隨著加熱的進(jìn)行,氣壓不斷升高,水溫隨著氣壓的升高而升高,且此過(guò)程水一直微弱沸騰。此現(xiàn)象也有力地說(shuō)明了“水的沸點(diǎn)隨氣壓的升高而升高”。
2.3? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表1)
2.4? ? 結(jié)論分析
通過(guò)比較和分析水沸騰時(shí)溫度與氣壓的數(shù)據(jù),可以得出:氣壓降低,沸點(diǎn)降低;氣壓升高,沸點(diǎn)升高。
3? ? 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)
(1)選用耐高壓和耐高溫的高硼硅加厚材質(zhì)抽濾瓶,使實(shí)驗(yàn)的安全性大大提高,且抽濾瓶側(cè)面的導(dǎo)管便于測(cè)量瓶?jī)?nèi)氣壓值;
(2)用單孔橡膠塞(未打穿)堵住瓶口的金屬導(dǎo)管,可視化地模擬高壓鍋煮飯的情境,使學(xué)生在感受和體驗(yàn)相關(guān)情境的同時(shí)輕松地理解了相關(guān)知識(shí),體現(xiàn)了從生活走向物理,從物理走向社會(huì)的新課程理念;
(3)將溫度和氣壓的具體數(shù)據(jù) 用可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái),且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定,降低思維難度,便于學(xué)生輕松理解相關(guān)知識(shí);
(4)在水中加入細(xì)小的雜質(zhì)顆粒(本實(shí)驗(yàn)中為橡膠顆粒),為氣泡提供了析出核,大大增加了沸騰時(shí)氣泡的數(shù)量,并使得水在沸騰很長(zhǎng)一段時(shí)間后,氣泡數(shù)量仍然相當(dāng)多,使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯;
(5)選用不銹鋼真空表代替壓力表,即可測(cè)正壓,亦可測(cè)負(fù)壓,保證了實(shí)驗(yàn)的完整性和連續(xù)性,且真空表選用不銹鋼材質(zhì),使高溫的水蒸氣不會(huì)損壞真空表;
(6)該項(xiàng)目用控制變量法(初中階段最重要的科學(xué)方法),在其他條件均不變的情況下,只改變氣壓,觀察水的沸點(diǎn)隨氣壓的變化情況,原理簡(jiǎn)單,符合初中生的思維特點(diǎn),易于學(xué)生理解;
(7)該裝置用途廣泛,不僅可以做沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系實(shí)驗(yàn),在以后學(xué)習(xí)做功改變氣體的內(nèi)能時(shí),亦可視化地顯示對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體做功(向瓶?jī)?nèi)打氣)氣體溫度升高、內(nèi)能變大等實(shí)驗(yàn)。
整件作品需要材料不多,制作簡(jiǎn)單快捷;演示過(guò)程中操作方便,安全性高,可行性高。
參考文獻(xiàn):
[1]彭前程. 義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M]. 北京:人民教育出版社, 2016:41-42.
[2]劉炳昇,李容. 義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M]. 南京:江蘇鳳凰科學(xué)出版社,2017:86-87.
[3]華東地區(qū)初中物理教材編寫組. 義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,廣州:廣東教育出版社,2016:79-80.
[4]上??茖W(xué)技術(shù)出版社. 義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)全一冊(cè)[M]. 上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社, 2012:17-18.
[5]北京師范大學(xué)出版社. 義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)上冊(cè)[M]. 北京:北京師范大學(xué)出版社, 2017:21-22.
[6]吳祖仁.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M]. 北京:教育科學(xué)出版社, 2013.
(欄目編輯? ? 王柏廬)