對(duì)液體沸點(diǎn)與氣壓關(guān)系演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

任少鐸

摘? ? 要：初中物理教材中液體沸點(diǎn)與氣壓關(guān)系的演示實(shí)驗(yàn)，具有一定的危險(xiǎn)性且相關(guān)現(xiàn)象的可視化程度不高。通過(guò)深入研究分析，選取合適器材，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，在提高實(shí)驗(yàn)安全性的同時(shí)，又高度可視化地呈現(xiàn)了相關(guān)現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：沸點(diǎn);氣壓;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）6-0045-3

1? ? 教材中的實(shí)驗(yàn)

目前對(duì)于“液體壓強(qiáng)與沸點(diǎn)的關(guān)系”這一知識(shí)點(diǎn)，各版本教材的編排并不相同。人教版[1]、蘇科版[2]、滬粵版[3]將其安排在八年級(jí)下冊(cè)《大氣壓》一節(jié)（學(xué)生已經(jīng)在八年級(jí)上冊(cè)學(xué)習(xí)了汽化與液化的知識(shí)）;滬科版[4]安排在九年級(jí)《汽化與液化》一節(jié)（學(xué)生在八年級(jí)下已經(jīng)學(xué)習(xí)了大氣壓的知識(shí)）;北師大版[5]安排在八年級(jí)上《汽化與液化》一節(jié)（此時(shí)學(xué)生還未學(xué)習(xí)大氣壓的相關(guān)知識(shí)）;教科版[6]并未講解該知識(shí)點(diǎn)。對(duì)此知識(shí)點(diǎn)，只有蘇科版和滬粵版兩個(gè)版本有安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和安排都可以在教材中看到。

筆者經(jīng)過(guò)思考決定在新授課時(shí)，采用初中階段一直強(qiáng)調(diào)的控制變量法，在其他條件不變的情況下，只改變氣壓，研究沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系，并用可視化的方式呈現(xiàn)溫度和氣壓的具體數(shù)據(jù)，讓初中學(xué)生能夠直觀地感受和體驗(yàn) “氣壓越大，沸點(diǎn)越高;氣壓越小，沸點(diǎn)越低”這一現(xiàn)象，而不是靠記憶。

2? ? 選取合適器材，改進(jìn)課本實(shí)驗(yàn)

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材

整個(gè)裝置主要由鐵架臺(tái)、酒精燈、石棉網(wǎng)、雙孔橡膠塞、兩用打氣筒、有孔的橡膠塞（孔未打穿）、金屬導(dǎo)管、電子溫度計(jì)（圖1）、不銹鋼真空表（圖2）、高硼硅材質(zhì)的抽濾瓶（圖3）、塑料軟管等構(gòu)成。

先把橡膠塞（材質(zhì)軟的）按照金屬導(dǎo)管和電子溫度計(jì)探針的尺寸打兩個(gè)孔，并把導(dǎo)管和探針穿過(guò)橡膠塞。在橡膠塞上涂適量凡士林后塞住抽濾瓶瓶口（凡士林可保證裝置的氣密性良好），并用銅絲把橡膠塞固定在抽濾瓶（圖3）上，以避免高壓時(shí)塞子彈起。用真空表專用配件的金屬緩沖管一端用鋼鋸鋸斷以便連接塑料軟管，另一端連接真空表的螺旋接口，并用塑料薄膜包扎以密封（如圖4）。

把酒精燈置于鐵架臺(tái)的底座上，在適宜的高度固定鐵圈和石棉網(wǎng)，在石棉網(wǎng)上放抽濾瓶，并用試管夾把抽濾瓶固定在鐵架臺(tái)上，在瓶中加適量的水，并在水中加入幾片小橡膠顆粒（橡膠塞打孔留下的），雙孔橡膠塞其中一個(gè)孔插入金屬導(dǎo)管，另一個(gè)孔插入電子溫度計(jì)的探針。抽濾瓶側(cè)面的導(dǎo)管通過(guò)軟管與不銹鋼真空表相連，裝置框架圖及實(shí)物圖如圖5。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

先用酒精燈把水加熱至92 ℃左右，水并未沸騰，然后用兩用氣筒通過(guò)橡膠塞上的金屬導(dǎo)管從抽濾瓶?jī)?nèi)抽氣，使其內(nèi)部氣壓降低，發(fā)現(xiàn)水開(kāi)始沸騰，此時(shí)不銹鋼真空表指針左偏，顯示瓶?jī)?nèi)氣壓小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通過(guò)控制抽氣的頻率，可以讓水溫保持在91 ℃左右持續(xù)沸騰，此現(xiàn)象說(shuō)明“水的沸點(diǎn)隨氣壓的降低而降低”，如圖6。

拔掉打氣筒，使抽濾瓶?jī)?nèi)的氣體通過(guò)塞子上的金屬導(dǎo)管與外界連通，發(fā)現(xiàn)水停止沸騰。繼續(xù)加熱，待水溫達(dá)到100.1 ℃又繼續(xù)沸騰，不銹鋼真空表指針指向中間，顯示此刻瓶?jī)?nèi)氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。若無(wú)外界干擾，水會(huì)保持在100.1 ℃持續(xù)沸騰。

用兩用氣筒通過(guò)橡膠塞上的金屬導(dǎo)管向抽濾瓶?jī)?nèi)打氣，推動(dòng)打氣筒手柄兩次即可使瓶?jī)?nèi)氣壓達(dá)到1.3個(gè)大氣壓。不拔掉兩用氣筒，但停止打氣，會(huì)發(fā)現(xiàn)：因?yàn)橄鹉z塞上的金屬導(dǎo)管被兩用氣筒堵住，隨著酒精燈加熱，不銹鋼真空表指針右偏越來(lái)越多，顯示瓶?jī)?nèi)氣壓仍在持續(xù)升高，水再次沸騰時(shí)，水溫為107 ℃左右，此現(xiàn)象說(shuō)明“水的沸點(diǎn)隨氣壓的升高而升高”。拔掉打氣筒，使抽濾瓶?jī)?nèi)氣體通過(guò)金屬導(dǎo)管與外界連通，水立刻劇烈沸騰，且溫度急劇下降。

待水溫降到100.1 ℃后，不再下降，且持續(xù)沸騰。用單孔橡膠塞（未打穿）套在金屬導(dǎo)管上，使瓶?jī)?nèi)氣體與外界隔絕，以此來(lái)可視化地模擬高壓鍋原理。發(fā)現(xiàn)隨著酒精燈繼續(xù)加熱，不銹鋼真空表指針持續(xù)右偏，顯示此刻瓶?jī)?nèi)氣壓逐漸升高，在此過(guò)程中，水保持微弱沸騰?？梢钥吹?，“高壓鍋”內(nèi)，隨著加熱的進(jìn)行，氣壓不斷升高，水溫隨著氣壓的升高而升高，且此過(guò)程水一直微弱沸騰。此現(xiàn)象也有力地說(shuō)明了“水的沸點(diǎn)隨氣壓的升高而升高”。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表1）

2.4? ? 結(jié)論分析

通過(guò)比較和分析水沸騰時(shí)溫度與氣壓的數(shù)據(jù)，可以得出：氣壓降低，沸點(diǎn)降低;氣壓升高，沸點(diǎn)升高。

3? ? 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）選用耐高壓和耐高溫的高硼硅加厚材質(zhì)抽濾瓶，使實(shí)驗(yàn)的安全性大大提高，且抽濾瓶側(cè)面的導(dǎo)管便于測(cè)量瓶?jī)?nèi)氣壓值;

（2）用單孔橡膠塞（未打穿）堵住瓶口的金屬導(dǎo)管，可視化地模擬高壓鍋煮飯的情境，使學(xué)生在感受和體驗(yàn)相關(guān)情境的同時(shí)輕松地理解了相關(guān)知識(shí)，體現(xiàn)了從生活走向物理，從物理走向社會(huì)的新課程理念;

（3）將溫度和氣壓的具體數(shù)據(jù) 用可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái)，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定，降低思維難度，便于學(xué)生輕松理解相關(guān)知識(shí);

（4）在水中加入細(xì)小的雜質(zhì)顆粒（本實(shí)驗(yàn)中為橡膠顆粒），為氣泡提供了析出核，大大增加了沸騰時(shí)氣泡的數(shù)量，并使得水在沸騰很長(zhǎng)一段時(shí)間后，氣泡數(shù)量仍然相當(dāng)多，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯;

（5）選用不銹鋼真空表代替壓力表，即可測(cè)正壓，亦可測(cè)負(fù)壓，保證了實(shí)驗(yàn)的完整性和連續(xù)性，且真空表選用不銹鋼材質(zhì)，使高溫的水蒸氣不會(huì)損壞真空表;

（6）該項(xiàng)目用控制變量法（初中階段最重要的科學(xué)方法），在其他條件均不變的情況下，只改變氣壓，觀察水的沸點(diǎn)隨氣壓的變化情況，原理簡(jiǎn)單，符合初中生的思維特點(diǎn)，易于學(xué)生理解;

（7）該裝置用途廣泛，不僅可以做沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，在以后學(xué)習(xí)做功改變氣體的內(nèi)能時(shí)，亦可視化地顯示對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體做功（向瓶?jī)?nèi)打氣）氣體溫度升高、內(nèi)能變大等實(shí)驗(yàn)。

整件作品需要材料不多，制作簡(jiǎn)單快捷;演示過(guò)程中操作方便，安全性高，可行性高。

參考文獻(xiàn)：

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[4]上?？茖W(xué)技術(shù)出版社. 義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)全一冊(cè)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 2012：17-18.

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[6]吳祖仁.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)[M]. 北京：教育科學(xué)出版社， 2013.

（欄目編輯? ? 王柏廬）