“探究水的沸腾”实验

来源:用户上传      作者: 吕　宏

　　“探究水的沸腾”实验是苏科版八年级上册《物态变化》教学中的重要内容。水的沸腾是日常生活中最常见但又是学生不容易直接观察到的现象，学生会讲出沸腾的很多现象，但不能描述地很全面，其发生的全过程学生不是很清楚，所以在课堂上做好水的沸腾实验就很重要。该实验过去总认为无技术性难度，只要按照教材所示的装置进行即可，即结果往往难以得以正确结论，有些教师只好用水不纯净、气压不标准、温度计有误差等理由来搪塞学生，有关沸腾的现象及结论，几乎是灌输给学生，强迫学生记忆、背诵。但新课程理念要求学生通过观察物理现象，经历物理过程，学习物理知识，并要求学生会用图示的方法和用文字描述沸腾的特征；要求教师通过指导学生实验，将物理探究的基本方法和要求潜移默化地传授给学生。
　　考虑到学校器材严重不足，学生素质偏低，动手能力较差，实验安全等因素，在本校“探究水的沸腾”实验改为教师演示实验。笔者走上物理教学讲台仅三年，经历三次“探究水的沸腾实验”教学。在前两次的教学中，笔者对照教材、教参按部就班地进行实验，基本没出问题。对于教学中出现的沸腾现象不是很明显的问题，解释为酒精灯不好；水沸腾时温度略有上升，解释为气压不标准，甚至为了符合实验结论，由教师代为读数等等一系列问题，笔者都未深究，只把实验结论告诉学生，记住即可。但在今年的教学中，水加热到97℃仍没有气泡出现，教学完全失败，才感到问题的严重，才引起笔者的思考。水的沸腾实验虽然简单，但实验前疏于考虑，实验中重视不足，导致实验的失败率很高。
　　对于导致实验失败的原因，笔者反复思考，主要有以下几方面：水的种类、酒精灯的火焰、温度计的放置，还有石棉网的使用、烧杯的大小。以下是笔者对实验做的几点尝试及改进。
　　
　　1.盛水容器的选择和所放水量的多少
　　
　　(1)在实验中若用大烧杯盛水做实验，加热时间太久，且不易观察到气泡变大的现象；而用大试管盛水做实验，虽然水沸腾快，气泡变化明显，但也有不足。笔者用规格为大试管盛水做实验，发现有四点不足：一是测得水的沸点为高于100℃，与常压下水的沸点相差较大，学生难以接受，给解释又会带来麻烦。二是有边沸腾边升温的现象，与“沸腾过程温度不变”结论相左。笔者观察到，当水温升到95℃时开始有气泡上升变大，98℃气泡较多，100℃有大量气泡上升变大，显然此时水已沸腾，但水温继续升高，直达104℃为止。解释这种现象颇费口舌，学生也未必能懂，应尽可能避免。三是试管中水比较少，受热快，水在很短时间内就会沸腾，虽然沸腾时的气泡变化很明显，但沸腾前的现象经历时间太短，学生来不及观察。笔者观察到，用大试管盛水做实验，三分钟左右水就完全沸腾，能看到沸腾前的现象仅仅5秒钟左右，时间太短，现象不明显。四是欠安全。由于试管散热慢，当加热时间稍长，水中空气排尽时，容易发生“暴沸”。轻则溅湿酒精灯，重则伤人。笔者在进行试验时，即发生类似情况，对学生显然不太安全。
　　（2）实验中所放水量不宜太多，太多也会造成加热时间过长，课堂教学时间受到影响，在课堂预定的时间内难以完成教学任务；太少的话，看不清气泡的变化。
　　改进：采用100ml小烧杯盛60ml-80ml水做实验，为了节省加热的时间，所用的水可以用未沸腾过的温水，10min内可使水沸腾，且能清晰地观察到气泡上升变大的现象，又不会出现上述不足，是最为理想的选择。
　　
　　2.水的选择
　　
　　(1)选用沸腾过的温水，笔者观察到水加热到90℃时，仍未见气泡；加热到93℃时烧杯接触铁架台的底部周围有很少的气泡出现；当水温升高到98℃时，气泡稍多，仔细观察可以看到气泡由大到小变化，现象不明显；加热到100℃时，很少气泡由小到大变化，接触铁架台的烧杯底稍有沸腾现象；拿掉石棉网，水的沸腾现象比较明显。
　　（2）选用未沸腾过的温水，笔者观察到水加热40℃，烧杯底即有少量小气泡产生；加热到90℃大量气泡由大到小连续上升，随着温度不断上升，沸腾前的现象越来越明显；加热到100℃时，水沸腾。
　　大家都知道空气在水中含量在0.2%左右，随水温升高，空气在水中含量逐渐减少。沸腾过的水，里面的气体已经溢出，所以气泡很少，到100℃（标压下）水的沸腾现象不明显，它的沸点会超过100℃！
　　
　　3.温度计的选择和放置
　　
　　（1）笔者发现，把实验室现有的温度计放在一起，读数差异较大，故在实验前，挑选好读数差异较小的温度计给实验用，这样可以避免很多不必要的口舌，也可避免有可能是温度计的问题造成读出的沸点大于100℃的情况，给解释问题带来麻烦。
　　（2）温度计玻璃泡浸入水中的深度对测量结果有重要影响。水沸腾时，把温度计的玻璃泡放在水的中下层测得的温度，比放在水的上层测得的温度要高。人们在实验中很少注意这个问题，总是在先前经验和教材插图的影响下，习惯性地将温度计的玻璃泡放在水的中层或中下层。这样测得水在常压下的沸点总是高于100℃，且由于各实验小组的温度计玻璃泡浸入深度不完全相同，又导致各小组间的测量结果不一致。
　　改进：笔者认为，只有将温度计的玻璃泡刚好浸没于水面下时测得的温度，才能表征水在当时气压下的沸点。笔者用此方法，在不加盖纸板的情况下，测得水的沸点为98℃，基本符合当地、当时气压下水的沸点。
　　
　　4.酒精灯的使用
　　
　　在实验前教师应对酒精灯的灯芯做适当的调整。灯芯的外露部分太长则浪费酒精，造成能源的浪费；外露部分太短则会造成加热时间的延长，从而影响实验进程和课堂教学的组织。
　　改进：要减少加热时间，关键是加大酒精灯的火力。加大火力的措施有：灯芯要粗；灯芯露出部分要长；酒精的纯度要高，要将长期放置的酒精倒掉，拧干灯芯后再加入新鲜酒精。
　　
　　5.杯盖及石棉网的使用
　　
　　（1）在烧杯上加盖纸板，其优点是减少加热时间，其缺点是增大了烧杯中的气压，使水的沸点较常压时高2―3℃，且有边沸腾边升温的现象。若不盖纸板，则加热时间太长，且在水沸腾时，由于大量蒸气在温度计的玻璃棒上液化放热，使读数较正常值高1―2℃。另外，水在高温时的汽化热较大和酒精灯提供的热量有限，很可能会造成几个气泡冒过以后，水中又恢复平静，如果这样，则必然造成实验现象不明显，也必然影响实验效果和学生对新知识的学习。笔者的做法是：在烧杯上加盖纸片，当水温升至95℃时，将纸片上移，既不封住杯口，又阻挡蒸气在玻璃棒上液化，效果很好。所以，实验中使用杯盖较为合适。
　　改进：杯盖上要打上适当的导气孔，以防杯内气压高于外界气压而导致沸点偏高。
　　（2）在这个实验中，有的教师为了节省时间而直接对烧杯加热，笔者觉得不可取。原因有两点：一是直接违反了仪器的操作规则，不利于培养学生正确的、严谨的科学实验态度；二是如果烧杯外壁粘有水，开始加热时烧杯受热不均匀，可能会导致烧杯破裂，从而造成混乱局面，甚至引起事故。所以笔者觉得石棉网不可少。但由于石棉网网面凹凸不平，与杯底部接触面积不大，热传导和热辐射效果不佳，且石棉网吸收热量，不仅给烧杯底部传导和辐射热能，同时也向外界辐射而造成热能的损失，当烧杯及烧杯中的水吸收的热量与向外界散发的热量接近相等时，此时水的温度上升缓慢，甚至停止上升。
　　改进：笔者建议当水的温度较高时，为了加快水的沸腾，可以拿掉石棉网一段时间，直接对烧杯加热。
　　物理学是一门以实验为基础的学科，实验可以得出物理知识和规律，但实验有时现象不明显，有时出现一些不符合要得出的结论，这就要求实验教学时应注意方法，抱着实事求是的态度，分析原因，找到改进的方法，指导学生进行科学探究。上述“探究水的沸腾”实验分析及改进如有不足之处，敬请各位同仁指正。
　　
　　参考文献：
　　[1]刘炳升.切实加强物理实验，重视学生的实践活动.
　　[2]吴龙忠.在水的沸腾实验的改进.中学物理，2003，(10).
　　[3]高华.对“观察水的沸腾”实验装置的讨论与改进，物理教学，2003，（9）.

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