对液体沸点与气压关系演示实验的改进

任少铎

摘    要：初中物理教材中液体沸点与气压关系的演示实验，具有一定的危险性且相关现象的可视化程度不高。通过深入研究分析，选取合适器材，对实验进行了一定的改进，在提高实验安全性的同时，又高度可视化地呈现了相关现象。

关键词：沸点;气压;实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）6-0045-3

1    教材中的实验

目前对于“液体压强与沸点的关系”这一知识点，各版本教材的编排并不相同。人教版[1]、苏科版[2]、沪粤版[3]将其安排在八年级下册《大气压》一节（学生已经在八年级上册学习了汽化与液化的知识）;沪科版[4]安排在九年级《汽化与液化》一节（学生在八年级下已经学习了大气压的知识）;北师大版[5]安排在八年级上《汽化与液化》一节（此时学生还未学习大气压的相关知识）;教科版[6]并未讲解该知识点。对此知识点，只有苏科版和沪粤版两个版本有安排相关的实验。

实验的具体内容和安排都可以在教材中看到。

笔者经过思考决定在新授课时，采用初中阶段一直强调的控制变量法，在其他条件不变的情况下，只改变气压，研究沸点与气压的关系，并用可视化的方式呈现温度和气压的具体数据，让初中学生能够直观地感受和体验 “气压越大，沸点越高;气压越小，沸点越低”这一现象，而不是靠记忆。

2    选取合适器材，改进课本实验

2.1    实验器材

整个装置主要由铁架台、酒精灯、石棉网、双孔橡胶塞、两用打气筒、有孔的橡胶塞（孔未打穿）、金属导管、电子温度计（图1）、不锈钢真空表（图2）、高硼硅材质的抽滤瓶（图3）、塑料软管等构成。

先把橡胶塞（材质软的）按照金属导管和电子温度计探针的尺寸打两个孔，并把导管和探针穿过橡胶塞。在橡胶塞上涂适量凡士林后塞住抽滤瓶瓶口（凡士林可保证装置的气密性良好），并用铜丝把橡胶塞固定在抽滤瓶（图3）上，以避免高压时塞子弹起。用真空表专用配件的金属缓冲管一端用钢锯锯断以便连接塑料软管，另一端连接真空表的螺旋接口，并用塑料薄膜包扎以密封（如图4）。

把酒精灯置于铁架台的底座上，在适宜的高度固定铁圈和石棉网，在石棉网上放抽滤瓶，并用试管夹把抽滤瓶固定在铁架台上，在瓶中加适量的水，并在水中加入几片小橡胶颗粒（橡胶塞打孔留下的），双孔橡胶塞其中一个孔插入金属导管，另一个孔插入电子温度计的探针。抽滤瓶侧面的导管通过软管与不锈钢真空表相连，装置框架图及实物图如图5。

2.2    实验过程

先用酒精灯把水加热至92 ℃左右，水并未沸腾，然后用两用气筒通过橡胶塞上的金属导管从抽滤瓶内抽气，使其内部气压降低，发现水开始沸腾，此时不锈钢真空表指针左偏，显示瓶内气压小于标准大气压，通过控制抽气的频率，可以让水温保持在91 ℃左右持续沸腾，此现象说明“水的沸点随气压的降低而降低”，如图6。

拔掉打气筒，使抽滤瓶内的气体通过塞子上的金属导管与外界连通，发现水停止沸腾。继续加热，待水温达到100.1 ℃又继续沸腾，不锈钢真空表指针指向中间，显示此刻瓶内气压为标准大气压。若无外界干扰，水会保持在100.1 ℃持续沸腾。

用两用气筒通过橡胶塞上的金属导管向抽滤瓶内打气，推动打气筒手柄两次即可使瓶内气压达到1.3个大气压。不拔掉两用气筒，但停止打气，会发现：因为橡胶塞上的金属导管被两用气筒堵住，随着酒精灯加热，不锈钢真空表指针右偏越来越多，显示瓶内气压仍在持續升高，水再次沸腾时，水温为107 ℃左右，此现象说明“水的沸点随气压的升高而升高”。拔掉打气筒，使抽滤瓶内气体通过金属导管与外界连通，水立刻剧烈沸腾，且温度急剧下降。

待水温降到100.1 ℃后，不再下降，且持续沸腾。用单孔橡胶塞（未打穿）套在金属导管上，使瓶内气体与外界隔绝，以此来可视化地模拟高压锅原理。发现随着酒精灯继续加热，不锈钢真空表指针持续右偏，显示此刻瓶内气压逐渐升高，在此过程中，水保持微弱沸腾。可以看到，“高压锅”内，随着加热的进行，气压不断升高，水温随着气压的升高而升高，且此过程水一直微弱沸腾。此现象也有力地说明了“水的沸点随气压的升高而升高”。

2.3    实验数据（如表1）

2.4    结论分析

通过比较和分析水沸腾时温度与气压的数据，可以得出：气压降低，沸点降低;气压升高，沸点升高。

3    改进后实验的优点

（1）选用耐高压和耐高温的高硼硅加厚材质抽滤瓶，使实验的安全性大大提高，且抽滤瓶侧面的导管便于测量瓶内气压值;

（2）用单孔橡胶塞（未打穿）堵住瓶口的金属导管，可视化地模拟高压锅煮饭的情境，使学生在感受和体验相关情境的同时轻松地理解了相关知识，体现了从生活走向物理，从物理走向社会的新课程理念;

（3）将温度和气压的具体数据 用可视化的方式呈现出来，且实验现象稳定，降低思维难度，便于学生轻松理解相关知识;

（4）在水中加入细小的杂质颗粒（本实验中为橡胶颗粒），为气泡提供了析出核，大大增加了沸腾时气泡的数量，并使得水在沸腾很长一段时间后，气泡数量仍然相当多，使实验现象非常明显;

（5）选用不锈钢真空表代替压力表，即可测正压，亦可测负压，保证了实验的完整性和连续性，且真空表选用不锈钢材质，使高温的水蒸气不会损坏真空表;

（6）该项目用控制变量法（初中阶段最重要的科学方法），在其他条件均不变的情况下，只改变气压，观察水的沸点随气压的变化情况，原理简单，符合初中生的思维特点，易于学生理解;

（7）该装置用途广泛，不仅可以做沸点与气压的关系实验，在以后学习做功改变气体的内能时，亦可视化地显示对瓶内气体做功（向瓶内打气）气体温度升高、内能变大等实验。

整件作品需要材料不多，制作简单快捷;演示过程中操作方便，安全性高，可行性高。

参考文献：

[1]彭前程. 义务教育教科书物理八年级下册[M]. 北京：人民教育出版社， 2016：41-42.

[2]刘炳昇，李容. 义务教育教科书物理八年级下册[M]. 南京：江苏凤凰科学出版社，2017：86-87.

[3]华东地区初中物理教材编写组. 义务教育教科书物理八年级下册[M].上海：上海科学技术出版社，广州：广东教育出版社，2016：79-80.

[4]上海科学技术出版社. 义务教育教科书物理八年级全一册[M]. 上海：上海科学技术出版社， 2012：17-18.

[5]北京师范大学出版社. 义务教育教科书物理八年级上册[M]. 北京：北京师范大学出版社， 2017：21-22.

[6]吴祖仁.义务教育教科书物理八年级下册[M]. 北京：教育科学出版社， 2013.

（栏目编辑    王柏庐）