觀察水的沸騰實驗及改進措施

〔關鍵詞〕 物理實驗;水沸騰現象;改進措施;注意

問題

〔中圖分類號〕 G633.7〔文獻標識碼〕 C

〔文章編號〕 1004—0463(2010)05(A)—0058—02

八年級義務教育初中《物理》教材(北京師范大學出版社)“觀察水的沸騰”實驗是研究液體沸騰時的特征，但在具體實驗中往往會出現理論與實驗結果不符，或是實驗現象不明顯等情況，以至于影響學生對沸騰現象的理解。鑒于此，可對該實驗作一些改進。

一、實驗儀器的選擇和改進

《物理》教材(北京師范大學出版社)中，“觀察水的沸騰”實驗裝置如圖1所示。教材中使用了250 mL的大燒杯，造成實驗時需要的水量較多，加之杯口較大，使得熱量散失較多，實驗耗時較長。如果換用熱水做，又會減少氣泡的數量，也不能讓學生較好地觀察到沸騰現象。

為了縮短實驗時間，我也曾試著用減少水量的辦法，但要使溫度計的玻璃泡不與杯底接觸，杯中至少也要裝入1/3的水量。這樣一來，杯中水的深度就會大大減小，而由于水淺，也便無法清晰地觀察到水沸騰前后氣泡的變化過程了，實驗效果最終還是會被影響。

另外，為了減少熱量的損失，教材中還采用在杯口加蓋一張中心有孔的紙板進行實驗，這種方法可以增大水面上方的氣壓，使水的沸點升高。但是水蒸汽會彌漫在杯內液面上方，同時杯壁上還會附著一些被液化的小水珠，最終會導致觀察的效果被影響。此外，由于各實驗小組蓋的密封程度不同，還會出現沸點溫度差異較大的現象。

針對以上問題，我多次對實驗裝置進行了改進，最終選用了100 mL的錐形燒瓶(如圖2所示)作為實驗主要裝置。這樣可大大縮短實驗時間，使溫度計的讀數更真實可靠。但需要注意的是，若實驗中加熱的水含有礦物質較多的話，實驗結果也會出現誤差，因此選擇合適的水也是十分必要的，所以，每次實驗所用的水應及時更換。

二、實驗現象的描述

對實驗現象的描述，應該從以下幾個問題出發:

1. 為什么錐形燒瓶底部先有氣泡，側壁后有氣泡?

2. 氣泡里的氣體是什么?

3. 在水沸騰之前，氣泡由小變大而在上升時又變小，這是為什么?

4. 水沸騰時，氣泡在上升過程中，為什么氣泡又會由小變大呢?

5. 水沸騰后溫度還會繼續上升嗎?

6. 錐形燒瓶口出現的“白氣”是水蒸汽嗎?

從微觀角度看水沸騰的過程，實驗現象大體可分為兩個階段:①水沸騰前，錐形燒瓶里的水被加熱，由于水中溶有空氣，受熱膨脹體積增大，在液體表面張力作用下形成氣泡。同時，在熱傳遞的過程中，錐形燒瓶底部的溫度比側壁的溫度略高，因此底部比側壁先出現了小氣泡。又因為小氣泡的周圍都是水，水就會向氣泡里不斷地蒸發，因為小氣泡的體積小，里面的氣體很快就會達到飽和狀態，所以氣泡里不僅有空氣而且還有飽和的蒸汽。

當水溫繼續升高時，小氣泡里的飽和蒸汽壓逐漸增大，于是它的體積也隨之增大，在浮力的作用下，氣泡脫離杯底及器壁上升。同時，遺留在底面上的少量空氣又逐漸形成新的氣泡。當氣泡上升到溫度較低的上層時，由于氣泡內的飽和氣壓小于外部的壓強，氣泡又逐漸變小，以使氣泡內的飽和氣逐漸凝結成液體，最后只剩下空氣和少量的蒸汽逃出液面。

在沸騰過程中，隨著溫度的升高，氣泡里的飽和氣壓也越來越大。等到水的溫度達到一定程度時，氣泡內的飽和氣壓增大到等于外部壓強時，整個水層處在同一溫度下，于是氣泡在上升過程中就不會再發生水氣凝結和體積縮小的現象。由于不斷吸熱，氣泡周圍的水會迅速地向氣泡內蒸發，氣泡的體積在上升過程中就會不斷增大。最后，當氣泡升到水面時裂開，放出大量的蒸汽，此時杯內的水上下翻騰，這就是沸騰現象。

②水沸騰后，溫度不再繼續上升。溫度值根據當地大氣壓而發生變化，不一定是100℃。氣壓越高，沸點越高，氣壓越低，沸點越低。錐形燒瓶口出現大量“白氣”，這其實是蒸汽液化形成的大量小水珠聚集在一起形成的，教師一定要提醒學生注意這個知識點，否則會讓他們形成科學性的錯誤。

三、沸騰條件的實驗驗證

沸騰條件即液體達到沸點后還要繼續吸熱。如圖3、4、5所示，將甲、乙、丙三個試管分別裝適量的水、酒精、水，再將三個試管分別放進A、B、C三個容器中(如圖)，其中C容器是一個密封的裝置。分別加熱A、B、C三個容器，觀察現象后考慮:試管甲、乙、丙中的液體是否會沸騰?

液體是否會沸騰，要看是否滿足沸騰所需的條件:達到沸點和繼續吸熱，兩個條件缺一不可。A、B兩容器內的水被加熱至沸騰時，其沸點是相同的，但對比試管中所盛液體可知:在標準大氣壓下，水的沸點是100℃，酒精的沸點是78.5℃。當裝置3中的水溫達到100℃時，由于熱傳遞，甲試管中的水也達到100℃，水溫相同，此時不存在溫度差，故沸騰的第二個條件繼續吸熱不能達到，甲試管中水不能沸騰。乙試管中酒精由于和容器中沸騰的水之間存在溫度差，所以達到沸點后仍能繼續吸熱，故可沸騰。丙試管中水會沸騰，這是因為加蓋容器水面氣壓大，所以里面水的溫度高于100℃，而試管丙是開口的，在標準大氣壓下它的沸點為100℃，丙試管放在了溫度高于100℃的水中，當它的溫度達到沸點100℃時還能繼續從容器的水中吸熱，達到了水沸騰的條件，所以丙試管中的水可以沸騰。