观察水的沸腾实验及改进措施

〔关键词〕 物理实验;水沸腾现象;改进措施;注意

问题

〔中图分类号〕 G633.7〔文献标识码〕 C

〔文章编号〕 1004—0463(2010)05(A)—0058—02

八年级义务教育初中《物理》教材(北京师范大学出版社)“观察水的沸腾”实验是研究液体沸腾时的特征,但在具体实验中往往会出现理论与实验结果不符,或是实验现象不明显等情况,以至于影响学生对沸腾现象的理解。鉴于此,可对该实验作一些改进。

一、实验仪器的选择和改进

《物理》教材(北京师范大学出版社)中,“观察水的沸腾”实验装置如图1所示。教材中使用了250 mL的大烧杯,造成实验时需要的水量较多,加之杯口较大,使得热量散失较多,实验耗时较长。如果换用热水做,又会减少气泡的数量,也不能让学生较好地观察到沸腾现象。

为了缩短实验时间,我也曾试着用减少水量的办法,但要使温度计的玻璃泡不与杯底接触,杯中至少也要装入1/3的水量。这样一来,杯中水的深度就会大大减小,而由于水浅,也便无法清晰地观察到水沸腾前后气泡的变化过程了,实验效果最终还是会被影响。

另外,为了减少热量的损失,教材中还采用在杯口加盖一张中心有孔的纸板进行实验,这种方法可以增大水面上方的气压,使水的沸点升高。但是水蒸汽会弥漫在杯内液面上方,同时杯壁上还会附着一些被液化的小水珠,最终会导致观察的效果被影响。此外,由于各实验小组盖的密封程度不同,还会出现沸点温度差异较大的现象。

针对以上问题,我多次对实验装置进行了改进,最终选用了100 mL的锥形烧瓶(如图2所示)作为实验主要装置。这样可大大缩短实验时间,使温度计的读数更真实可靠。但需要注意的是,若实验中加热的水含有矿物质较多的话,实验结果也会出现误差,因此选择合适的水也是十分必要的,所以,每次实验所用的水应及时更换。

二、实验现象的描述

对实验现象的描述,应该从以下几个问题出发:

1. 为什么锥形烧瓶底部先有气泡,侧壁后有气泡?

2. 气泡里的气体是什么?

3. 在水沸腾之前,气泡由小变大而在上升时又变小,这是为什么?

4. 水沸腾时,气泡在上升过程中,为什么气泡又会由小变大呢?

5. 水沸腾后温度还会继续上升吗?

6. 锥形烧瓶口出现的“白气”是水蒸汽吗?

从微观角度看水沸腾的过程,实验现象大体可分为两个阶段:①水沸腾前,锥形烧瓶里的水被加热,由于水中溶有空气,受热膨胀体积增大,在液体表面张力作用下形成气泡。同时,在热传递的过程中,锥形烧瓶底部的温度比侧壁的温度略高,因此底部比侧壁先出现了小气泡。又因为小气泡的周围都是水,水就会向气泡里不断地蒸发,因为小气泡的体积小,里面的气体很快就会达到饱和状态,所以气泡里不仅有空气而且还有饱和的蒸汽。

当水温继续升高时,小气泡里的饱和蒸汽压逐渐增大,于是它的体积也随之增大,在浮力的作用下,气泡脱离杯底及器壁上升。同时,遗留在底面上的少量空气又逐渐形成新的气泡。当气泡上升到温度较低的上层时,由于气泡内的饱和气压小于外部的压强,气泡又逐渐变小,以使气泡内的饱和气逐渐凝结成液体,最后只剩下空气和少量的蒸汽逃出液面。

在沸腾过程中,随着温度的升高,气泡里的饱和气压也越来越大。等到水的温度达到一定程度时,气泡内的饱和气压增大到等于外部压强时,整个水层处在同一温度下,于是气泡在上升过程中就不会再发生水气凝结和体积缩小的现象。由于不断吸热,气泡周围的水会迅速地向气泡内蒸发,气泡的体积在上升过程中就会不断增大。最后,当气泡升到水面时裂开,放出大量的蒸汽,此时杯内的水上下翻腾,这就是沸腾现象。

②水沸腾后,温度不再继续上升。温度值根据当地大气压而发生变化,不一定是100℃。气压越高,沸点越高,气压越低,沸点越低。锥形烧瓶口出现大量“白气”,这其实是蒸汽液化形成的大量小水珠聚集在一起形成的,教师一定要提醒学生注意这个知识点,否则会让他们形成科学性的错误。

三、沸腾条件的实验验证

沸腾条件即液体达到沸点后还要继续吸热。如图3、4、5所示,将甲、乙、丙三个试管分别装适量的水、酒精、水,再将三个试管分别放进A、B、C三个容器中(如图),其中C容器是一个密封的装置。分别加热A、B、C三个容器,观察现象后考虑:试管甲、乙、丙中的液体是否会沸腾?

液体是否会沸腾,要看是否满足沸腾所需的条件:达到沸点和继续吸热,两个条件缺一不可。A、B两容器内的水被加热至沸腾时,其沸点是相同的,但对比试管中所盛液体可知:在标准大气压下,水的沸点是100℃,酒精的沸点是78.5℃。当装置3中的水温达到100℃时,由于热传递,甲试管中的水也达到100℃,水温相同,此时不存在温度差,故沸腾的第二个条件继续吸热不能达到,甲试管中水不能沸腾。乙试管中酒精由于和容器中沸腾的水之间存在温度差,所以达到沸点后仍能继续吸热,故可沸腾。丙试管中水会沸腾,这是因为加盖容器水面气压大,所以里面水的温度高于100℃,而试管丙是开口的,在标准大气压下它的沸点为100℃,丙试管放在了温度高于100℃的水中,当它的温度达到沸点100℃时还能继续从容器的水中吸热,达到了水沸腾的条件,所以丙试管中的水可以沸腾。

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