关于“观察水的沸腾”实验装置的改进①

颜　沸　莫　滨

(1.江苏省南京市莲花实验学校，江苏　南京　210041；

2.江苏省南京市第十八中学，江苏　南京　210041)

①本文系中国教育学会物理教学专业委员会2013年-2016年全国物理教育科研重点课题“中学物理实验研究”、南京市教育科学“十二五”规划2011年度课题“信息技术与物理教学整合的研究”( 编号：L/2013 /195)之阶段性研究成果。

关于“观察水的沸腾”实验装置的改进①

颜沸1莫滨2

(1.江苏省南京市莲花实验学校，江苏南京210041；

2.江苏省南京市第十八中学，江苏南京210041)

①本文系中国教育学会物理教学专业委员会2013年-2016年全国物理教育科研重点课题“中学物理实验研究”、南京市教育科学“十二五”规划2011年度课题“信息技术与物理教学整合的研究”( 编号：L/2013 /195)之阶段性研究成果。

摘要：“观察水的沸腾”实验是苏科版教材第二章物态变化中的内容，课程标准要求学生掌握水的沸腾特点，特别是水沸腾时温度不变这一知识内容.笔者在实际教学过程中发现此教材中的水沸腾实验装置存在一些问题：酒精灯的火焰较小，使水温上升太慢，实验时间偏长，学生在分组实验中测量沸水的温度不一样，水沸腾前几乎没有声音.因此笔者认为可使用玻璃电热水壶取代现有的实验装置.

关键词：水沸腾实验；物态变化；玻璃电热水壶

笔者在指导学生做苏科版教材第二章《物态变化》的“观察水的沸腾实验”分组实验时，发现现有的实验装置存在一些问题，从而给我们的教学带来一些困难.用酒精灯给烧杯中的水加热这个实验装置用了很多年，笔者认为随着科学技术的进步，玻璃电热水壶变得越来越普及，可使用它取代现有的实验装置.

1目前水沸腾实验存在的问题

1.1　酒精灯的火焰较小，使水的温度上升太慢，实验时间过长

笔者选用250毫升的烧杯中装入200毫升的水，水的初温是26℃,加热15分钟水开始沸腾，为了缩短实验时间，我们可以采用在烧杯上加个纸片做的盖子以减小热量的散失、减少水量或者提高水的初温等方法，但是这些方法或多或少都存在一些问题.

首先，在烧杯上加个纸片做的盖子这种方法.各实验小组的硬纸片盖住杯口的密封情况不一样，由于大气压的影响会导致各小组的学生测量沸水的温度也不一样，而初二学生还没有学习大气压强，此干扰因素为教学带来困难，无法有效地解决本节的教学重点.

其次，采用减少水量的方法.由于水量较少，气泡上升的距离变短，沸腾前和沸腾时气泡大小的变化现象不易观察.

最后，笔者选用提高水的初温的方法，这要求教师在课前准备好温水或热水，带入实验室，课前准备比较麻烦.

1.2　学生在分组实验中测量沸水的温度不一样

图1

我们往往向学生解释这一现象是温度计测温不准造成的，图1是笔者将两个温度计放在沸水的同一深度拍摄的照片.发现一个温度计的示数是100℃，而另一个是102℃，相差了2℃.同时笔者发现温度计放入水的位置不同是造成学生在分组实验中测量沸水的温度不一样这一现象的另一个主要原因.笔者将上图左边的温度计(此时温度示数是100℃)向下移动，发现示数最终上升到了102℃.可见沸腾时烧杯中各位置水温不一样.笔者认为造成这一现象的原因是由于酒精灯火焰单位时间放出的热量偏少，沸腾时水的对流相对较慢，即使水在沸腾，烧杯中的不同位置的水温也有较大的温差.要解决上述问题，首先可以通过教师在课前选择较接近的温度计来解决.先把不同温度计悬空放置，把示数接近的温度计选出来作为分组实验的器材.其次教师可以要求各实验小组的温度计要统一放置的方法来解决.例如统一放置在液泡刚没入水中的位置，同时要求各小组烧杯中水量统一.

1.3　水沸腾前几乎没有声音

水在沸腾的时候声音比在水沸腾前声音大，与我们希望学生得出“开水不响，响水不开”这一结论不符.家庭烧水时，水沸腾前声音较大，这是由于水壶盛水前，壶壁上吸附着一层空气，加入水后，这层空气就变成了无数微小的气泡.因吸附力大于气泡受到的浮力，故水并不能使它们脱离壶壁.当水温升高时，气泡周围的水在气泡内蒸发，使汽泡体积增大，当温度达到七、八十摄氏度时，变大的气泡受到的浮力超过了吸附力，它们就要离开壶壁纷纷上升，同时在壶壁上仍遗留下一部分空气，这部分空气会以更快的速度增加体积而上升.上升的气泡遇到周围的凉水，气泡里的水蒸气就要液化，使气泡迅速变小或破裂.由于无数气泡在壶底急剧膨胀，又在上升中迅速变小，壶里的水就处于激烈的振动状态，进而又引起了空气的振动，形成了水声.由于气泡体积大小交替变化非常快，使水的振动频率高，水声的音调也就高.后来，由于壶里各处的水温相差越来越小，气泡体积大小交替变化也越来越慢，进而引起的水声的音调就要逐渐变低.沸腾时，气泡在水面上破裂，引起了水面大幅度的翻腾，由此而引起的空气振动频率远不如前者的高，水声的音调也就低了.

而实验室中由于酒精灯的火焰较小，单位时间放出的热量较少，使得烧杯中的水的振动不是太剧烈，从而产生的声音很小，这就是我们在利用酒精灯加热时，烧杯中的水在沸腾前几乎听不到声音的原因.

1.4　水在沸腾时，温度还在慢慢上升

学生对数据分析时就容易得出：“水沸腾时温度会缓慢上升”这样一个错误的结论，也与我们教学的预设不符.我们的结论是“水沸腾时温度不变”，可是笔者通过观察，发现水在沸腾后，温度的确还在慢慢上升，我们只好向学生解释“温度上升这段时间内，水还没有真正沸腾”.这样的解释很牵强，也不严谨.笔者分析，水中气泡越上升越大时，水只是局部沸腾,水的中层或中下层的温度已达到沸点并开始沸腾，同时上升的沸水遇到周围温度相对较低的水后又停止沸腾.所以在水的中上部确实会出现温度继续上升的现象.

以上的四个问题还是要归结到酒精灯火焰单位时间放出的热量偏少，沸腾前后水的对流较慢，单位时间出现在烧杯底部的气泡较少，产生的声音就很弱了.同时沸腾时局部的水已经沸腾，而有的地方水温还没有达到沸点.

2对观察水的沸腾实验的改进

图2

选用玻璃电热水壶替代课本上的酒精灯加热装置(如图2所示).玻璃电热水壶额定容量为1.5升，额定功率为1800瓦.选择玻璃电热水壶替代课本上的酒精灯加热装置的理由有四：

2.1　缩短了实验的时间

笔者使用普通酒精灯给200毫升初温为26℃的水加热，用了15分钟才将水加热至沸腾.而使用玻璃电热水壶给1500毫升初温为26℃的水加热仅用了5分多钟就将水加热至沸腾，实验时间节约了将近10分钟.

2.2　实验效果明显，水沸腾前声音很大

在距烧杯和玻璃电热水壶3厘米处，笔者使用手机分别拍摄了水在沸腾前后的两段视频，并用Cool Edit软件进行分析，结果表明使用玻璃电热水壶给水加热，沸腾时声音的响度是酒精灯加热下水沸腾时的10倍，结果符合预期.

2.3　温度计放置在水下的各个位置的温度相差不大

由于玻璃电热水壶中水在沸腾时翻滚很剧烈，温度计放置在水下的各个位置的温度几乎相同.不需要刻意地强调将温度计放在水下一定深度，我们只需要告诉学生将温度计浸没在水中偏上的位置即可.

2.4　学生很容易观察到沸腾前和沸腾时气泡上升时的变化情况

由于水壶中水的深度达到了11厘米，而使用250毫升的烧杯中装入200毫升的水，水的深度只有5.6厘米，玻璃电热水壶中水的深度几乎是原来水深的两倍，学生很容易观察到沸腾前和沸腾时气泡上升时的变化情况.笔者发现沸腾前玻璃电热水壶容器底部聚集了大量的较大的气泡，当这些气泡上升时，气泡迅速减小.

2.5　提高了实验的安全性

玻璃电热水壶底座直径达到了13厘米，并加装了四个吸盘，实验时玻璃容壶内有1.5千克的水，整个实验装置的重心很低，相比于教材的实验装置更加稳定安全.

3建议

在分组实验时，学校实验室的学生课桌上都配有带过载保护的220V电源插头，所以使用时还是很方便安全的，此外玻璃电热水壶还可以用于“探究物质吸热升温的属性”这个实验，当然研究的物质最好将沙子换成煤油，笔者建议在分组实验时使用玻璃电热水壶取代现有的“观察水的沸腾”实验装置.

参考文献：

[1]赵明亮．沸点与压强关系的演示实验改进[J]．物理教学，1991,(4).

[2]顾兆儒，刘敦．对“观察水的沸腾”实验装置的改进意见[J]．物理教学，1998,(10).

[3]崔红．浅谈“水的沸腾”实验[J].中学物理,2010,(1).

·教学研究·