任少鐸

廈門市海滄區(qū)東孚中學(xué)，福建 廈門 361000

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)理論，但實(shí)驗(yàn)本身應(yīng)當(dāng)是嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)的，否則實(shí)驗(yàn)就沒有“探究”或“檢驗(yàn)”的功效了?！疤骄克序v的條件”是初中階段重要的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，然而當(dāng)前教學(xué)中的主流實(shí)驗(yàn)方案卻不夠合理、科學(xué)。部分中考試題的創(chuàng)新方案亦存在類似問題。這對(duì)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)的培育造成了不良的影響。

1 當(dāng)前主流方案分析

初中階段，通常認(rèn)為液體沸騰的條件是：達(dá)到沸點(diǎn)，持續(xù)吸熱。“探究水沸騰的條件”的重點(diǎn)是“探究水沸騰是否要持續(xù)吸熱”。

水沸騰需要同時(shí)滿足“達(dá)到沸點(diǎn)”和“持續(xù)吸熱”兩個(gè)條件。探究水沸騰是否需要“持續(xù)吸熱”，應(yīng)當(dāng)先滿足“達(dá)到沸點(diǎn)”這一條件，即：先加熱使水沸騰，接著使水溫保持在沸點(diǎn)，然后讓水無法吸熱，觀察水是否還能沸騰，倘若水不能沸騰，就說明水沸騰需要“持續(xù)吸熱”。

為了說明沸騰需要滿足“持續(xù)吸熱”這一條件，當(dāng)前教學(xué)中廣泛采用的方案主要有兩種，一種是“沸騰后移走酒精燈或燒杯，觀察水是否還能繼續(xù)沸騰”，如圖1所示；另一種是“用水浴法給試管加熱，觀察試管內(nèi)的水能否沸騰”，如圖2所示。然而，這兩種方案都不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

圖1 移走酒精燈

圖2 水浴法加熱

“移走酒精燈或燒杯”的方案不滿足“達(dá)到沸點(diǎn)”這一條件。在水沸騰后僅僅“移走酒精燈或燒杯”，水溫也會(huì)立刻下降到沸點(diǎn)以下，此時(shí)“達(dá)到沸點(diǎn)”這一條件就不成立了，不能說明就是“無法持續(xù)吸熱”導(dǎo)致了水停止沸騰。事實(shí)上，此時(shí)水不能繼續(xù)沸騰的原因其實(shí)是“沒有達(dá)到沸點(diǎn)”。實(shí)驗(yàn)中，停止加熱后，由于石棉網(wǎng)或燒杯底的溫度仍高于沸點(diǎn)，水可以繼續(xù)沸騰一小會(huì)兒，之后就會(huì)停止沸騰。然而，水停止沸騰后溫度計(jì)的示數(shù)卻沒有立刻下降，不少教師就認(rèn)為此時(shí)水溫仍是沸點(diǎn)，并由此現(xiàn)象得出：水沸騰需要“持續(xù)吸熱”。但這樣并不正確，因?yàn)榧词箿囟扔?jì)示數(shù)沒有立刻下降，但水溫（至少是局部水溫）肯定是下降的，除非此時(shí)環(huán)境溫度也達(dá)到了水的沸點(diǎn)且周圍空氣處于飽和蒸氣壓狀態(tài)，否則離開熱源后水就會(huì)因?yàn)槠拖蚩諝馍岫禍?。至于溫度?jì)示數(shù)沒有立刻下降，有兩個(gè)方面的原因。一方面，溫度計(jì)的玻璃泡一般處于水的中間，水溫下降是從局部開始的，蔓延到中間需要一定的時(shí)間；另一方面，溫度計(jì)顯示被測(cè)物體的溫度具有一定的“延時(shí)性”，因?yàn)闇囟扔?jì)內(nèi)的液體與被測(cè)物體達(dá)到熱平衡狀態(tài)需要時(shí)間，正如用水銀體溫計(jì)測(cè)體溫需要等待體溫計(jì)與身體接觸一定的時(shí)間才能讀數(shù)一樣。

“用水浴法給試管加熱”的方案也不滿足“達(dá)到沸點(diǎn)”這一條件，因?yàn)樵嚬軆?nèi)的水根本達(dá)不到沸點(diǎn)。實(shí)際上，試管內(nèi)的水也要蒸發(fā)，蒸發(fā)需要吸熱，所以最終試管內(nèi)的水溫會(huì)比燒杯內(nèi)的水溫低一些。筆者經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒杯內(nèi)的水沸騰時(shí)，試管內(nèi)的水溫度會(huì)比燒杯內(nèi)的水溫度低3℃～4℃，這個(gè)溫差使得試管會(huì)從燒杯內(nèi)的水中吸熱，吸收的熱量剛好用于維持試管內(nèi)水的蒸發(fā)［1］。

因此，當(dāng)前的兩種主流方案在探究水沸騰需要滿足“持續(xù)吸熱”這一條件時(shí)，都沒有滿足“達(dá)到沸點(diǎn)”這一條件，所以都不夠嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)。

2 對(duì)試題中創(chuàng)新方案的剖析

一些試題認(rèn)識(shí)到了“水浴法”探究方案的缺點(diǎn)，并設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，可惜的是試題中設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方案仍存在科學(xué)性問題，無法達(dá)成預(yù)期目的。

2.1 試題呈現(xiàn)

（某地中考真題）如圖3為驗(yàn)證沸騰條件的實(shí)驗(yàn)裝置……

圖3 中考真題圖

（1）……

（2）……

（3）18分鐘以后，為什么小燒杯中水的溫度保持94℃穩(wěn)定，但又低于大燒杯中水的溫度（100℃）？請(qǐng)分析其原因。

（4）為了驗(yàn)證液體的沸騰除了要滿足溫度達(dá)到沸點(diǎn)，還需要繼續(xù)吸熱的條件，同學(xué)們經(jīng)過討論，認(rèn)為只需改進(jìn)原裝置即可。如圖4所示的改進(jìn)方案中，_______更合理。

圖4 試題的改進(jìn)方案

【答案分析】本題第（3）問的答案為：小燒杯內(nèi)的水吸收的熱量與散失的熱量處于平衡狀態(tài)，不能使小燒杯內(nèi)的水溫再升高。第（4）問的答案為：方案2。

2.2 試題中創(chuàng)新方案分析

題目第（3）問的設(shè)計(jì)非常嚴(yán)謹(jǐn)，關(guān)注到了用“水浴法”探究液體沸騰條件的不嚴(yán)謹(jǐn)之處，引導(dǎo)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤治龊屯评恚鞔_了小燒杯內(nèi)的水要蒸發(fā)吸熱，小燒杯內(nèi)的水只有與大燒杯內(nèi)的水有溫度差時(shí)才能維持自己的蒸發(fā)，這種設(shè)計(jì)有利于學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的發(fā)展。遺憾的是，題目第（4）問的兩種創(chuàng)新方案都無法達(dá)到目的。

對(duì)于方案1，需要分為兩種情況討論。第一種情況，蓋子沒有將小燒杯密封。此時(shí)小燒杯內(nèi)還會(huì)有水蒸氣逃逸到小燒杯外面（凈蒸發(fā)），小燒杯內(nèi)的水溫還會(huì)低于大燒杯內(nèi)的水溫（因?yàn)橐S持小燒杯內(nèi)水的蒸發(fā)），盡管可以縮小與大燒杯內(nèi)水的溫差，但小燒杯內(nèi)的水溫仍然達(dá)不到沸點(diǎn)。實(shí)際上，蓋子不僅會(huì)減慢汽化，還會(huì)使小燒杯內(nèi)的氣壓變大從而使小燒杯內(nèi)的水沸點(diǎn)略微升高，所以小燒杯內(nèi)的水無論如何都達(dá)不到沸點(diǎn)。第二種情況，蓋子將小燒杯徹底密封。假設(shè)外界為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，那么隨著加熱的進(jìn)行，小燒杯內(nèi)的氣壓會(huì)變大，水的沸點(diǎn)會(huì)升高。雖然小燒杯內(nèi)的水溫會(huì)升高到幾乎接近大燒杯內(nèi)的水溫，但仍無法達(dá)到自己的沸點(diǎn)（因?yàn)榉悬c(diǎn)升高了很多）。不難發(fā)現(xiàn)，方案1的兩種情況小燒杯內(nèi)的水都達(dá)不到自己的沸點(diǎn)，又如何驗(yàn)證液體的沸騰除了要滿足溫度達(dá)到沸點(diǎn)，還需要持續(xù)吸熱的條件？所以方案1不能達(dá)到目的。

對(duì)于方案2，也需要分為兩種情況討論。第一種情況，蓋子沒有將大燒杯密封。加熱時(shí)大、小燒杯內(nèi)的水蒸氣還是會(huì)逃逸出去（凈蒸發(fā)），又由于小燒杯內(nèi)的水無法與大燒杯內(nèi)的水對(duì)流，小燒杯內(nèi)的水溫仍追不上大燒杯內(nèi)的水溫（因?yàn)橐S持小燒杯內(nèi)的蒸發(fā)），只是會(huì)縮小差距而已，小燒杯內(nèi)的水溫還是達(dá)不到沸點(diǎn)；第二種情況，蓋子將大燒杯徹底密封。隨著加熱的進(jìn)行，大燒杯內(nèi)的氣壓也會(huì)變大，整個(gè)大、小燒杯內(nèi)水的沸點(diǎn)都會(huì)升高。尚且不談水溫是否能達(dá)到沸點(diǎn)，隨著加熱的進(jìn)行大燒杯一定會(huì)爆炸，就像堵塞閥門的高壓鍋爆炸一樣。這種情況已經(jīng)不是方案是否能夠完成探究目的的問題了，而是在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中一定不能有這種不安全的操作。不難發(fā)現(xiàn)，方案2的兩種情況中，第一種情況小燒杯內(nèi)的水達(dá)不到自己的沸點(diǎn)，第二種情況因有巨大的安全隱患絕不可行。所以，方案2也不能達(dá)到目的。

3 思考與教學(xué)建議

目前，初中階段要通過實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明水沸騰需要“持續(xù)吸熱”是比較困難的，因?yàn)橐_地控制水溫在沸點(diǎn)且不能吸熱，這種要求在初中階段幾乎不能在演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。筆者認(rèn)為，物理學(xué)是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，講究科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，要用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)去探究物理規(guī)律。對(duì)于水沸騰條件的講解，筆者更傾向于用理論分析，即：由于沸騰時(shí)水會(huì)劇烈“翻滾”和汽化，這個(gè)過程需要外界提供能量，所以水沸騰會(huì)持續(xù)吸熱用于維持“翻滾”和汽化。盡管沒有實(shí)驗(yàn)探究總顯得沒有“物理味”，但用不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)更不可取。

當(dāng)前，一線教學(xué)中和各地中考試題中還廣泛存在用不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆桨浮疤骄克序v是否需要持續(xù)吸熱”的情況，這對(duì)彰顯物理學(xué)科的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性是非常不利的，對(duì)于學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)的培育是值得商榷的。作為教師，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，要關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身是否科學(xué)，倘若實(shí)驗(yàn)本身就不嚴(yán)謹(jǐn)、不科學(xué)，那么就不能用于探究或驗(yàn)證物理規(guī)律，否則會(huì)嚴(yán)重誤導(dǎo)學(xué)生，得不償失。即使無法找到合適的實(shí)驗(yàn)去探究或驗(yàn)證，也不能用錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)去“誤導(dǎo)”學(xué)生，用理論解釋也并非一無是處，只要理論正確、嚴(yán)密且符合學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和思維水平，同樣可以幫助學(xué)生理解知識(shí)，發(fā)展素養(yǎng)。