顏　沸　莫　濱

(1.江蘇省南京市蓮花實驗學校，江蘇　南京　210041；

2.江蘇省南京市第十八中學，江蘇　南京　210041)

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

關于“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校，江蘇南京210041；

2.江蘇省南京市第十八中學，江蘇南京210041)

①本文系中國教育學會物理教學專業(yè)委員會2013年-2016年全國物理教育科研重點課題“中學物理實驗研究”、南京市教育科學“十二五”規(guī)劃2011年度課題“信息技術與物理教學整合的研究”( 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)變化中的內容，課程標準要求學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容.筆者在實際教學過程中發(fā)現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有的實驗裝置.

關鍵詞：水沸騰實驗；物態(tài)變化；玻璃電熱水壺

筆者在指導學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)現現有的實驗裝置存在一些問題，從而給我們的教學帶來一些困難.用酒精燈給燒杯中的水加熱這個實驗裝置用了很多年，筆者認為隨著科學技術的進步，玻璃電熱水壺變得越來越普及，可使用它取代現有的實驗裝置.

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致各小組的學生測量沸水的溫度也不一樣，而初二學生還沒有學習大氣壓強，此干擾因素為教學帶來困難，無法有效地解決本節(jié)的教學重點.

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　學生在分組實驗中測量沸水的溫度不一樣

圖1

我們往往向學生解釋這一現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)現一個溫度計的示數是100℃，而另一個是102℃，相差了2℃.同時筆者發(fā)現溫度計放入水的位置不同是造成學生在分組實驗中測量沸水的溫度不一樣這一現象的另一個主要原因.筆者將上圖左邊的溫度計(此時溫度示數是100℃)向下移動，發(fā)現示數最終上升到了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，與我們希望學生得出“開水不響，響水不開”這一結論不符.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.當水溫升高時，氣泡周圍的水在氣泡內蒸發(fā)，使汽泡體積增大，當溫度達到七、八十攝氏度時，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?？?，使水的振動頻率高，水聲的音調也就高.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

學生對數據分析時就容易得出：“水沸騰時溫度會緩慢上升”這樣一個錯誤的結論，也與我們教學的預設不符.我們的結論是“水沸騰時溫度不變”，可是筆者通過觀察，發(fā)現水在沸騰后，溫度的確還在慢慢上升，我們只好向學生解釋“溫度上升這段時間內，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溫度繼續(xù)上升的現象.

以上的四個問題還是要歸結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，單位時間出現在燒杯底部的氣泡較少，產生的聲音就很弱了.同時沸騰時局部的水已經沸騰，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，結果符合預期.

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.不需要刻意地強調將溫度計放在水下一定深度，我們只需要告訴學生將溫度計浸沒在水中偏上的位置即可.

2.4　學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，學校實驗室的學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“探究物質吸熱升溫的屬性”這個實驗，當然研究的物質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．沸點與壓強關系的演示實驗改進[J]．物理教學，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，1998,(10).

[3]崔紅．淺談“水的沸騰”實驗[J].中學物理,2010,(1).

·教學研究·