奇妙的“水上升”趣味實驗探究

張一馳　仲偉康　陳　晨

(1. 南京師范大學教師教育學院，江蘇　南京　210097；

2. 北京師范大學物理學系，北京　100875)

?

·實驗研究·

奇妙的“水上升”趣味實驗探究

張一馳1仲偉康2陳晨1

(1. 南京師范大學教師教育學院，江蘇南京210097；

2. 北京師范大學物理學系，北京100875)

摘要：本文介紹了一個有趣的物理現(xiàn)象——“水上升”，通過觀察并設(shè)計系列實驗解釋現(xiàn)象，探究相關(guān)因素對其的影響，并給出可能的理論解釋.本文以高中熱學為基礎(chǔ)，以實驗探究為主要方法，結(jié)合定性分析進行探究，為教師在進行相關(guān)知識教學的同時提供豐富的實驗素材，同時也對學生提升自己的物理實驗技能和自主探究能力提供參考和借鑒.

關(guān)鍵詞：水上升；趣味實驗；實驗探究

1引言

“水上升實驗”取自2013年國際青年物理學家錦標賽(IYPT——International Youth Physics Tournament)，現(xiàn)象奇妙且取材簡單，極具趣味性和探究性，非常適合中學生課外探究.在激發(fā)學生學習熱情的同時，培養(yǎng)他們的物理核心素養(yǎng).

2現(xiàn)象描述

賽題是這樣描述的：在盛水的碟子中間垂直放置一根蠟燭，點燃蠟燭，然后罩上一個透明的燒杯，一段時間后，碟子中的水面的高度會發(fā)生變化.筆者按照賽題的要求進行實驗，重點觀察內(nèi)液面，依次看到的現(xiàn)象如表1.

表1　實驗現(xiàn)象

通過實驗發(fā)現(xiàn)：在實驗過程中內(nèi)液面有下降和升高過程，而且其升降速度不一，最終高于外液面.

3影響因素的理論分析和實驗探究

筆者將影響整個實驗過程的因素分為兩大部分：

(1) 氣體化學反應因素：表現(xiàn)為諸如二氧化碳、氧氣、水蒸氣、少量一氧化碳的產(chǎn)生和二氧化碳等氣體的吸收等，最終導致內(nèi)外氣壓不同.

(2) 熱力學因素：主要為由氣體溫度T變化導致的氣體壓強P、體積V的變化.

3.1　化學反應因素的探究

3.1.1實驗設(shè)計

針對化學反應因素的影響，筆者設(shè)計了封閉實驗.罩上一個透明的燒杯，然后用激光器來加熱帶火柴頭的蠟燭最終達到燃燒效果.

3.1.2實驗器材

封閉倒置的瓶子、激光器、蠟燭.

3.1.3實驗分析

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)點燃瞬間液面有晃動，但最終內(nèi)外液面高度基本無變化，呈持平狀態(tài).點燃瞬間因為溫度上升過快導致氣壓變化較大，使得液體有一定振動.隨后會發(fā)生一系列氣體化學變化，諸如二氧化碳、氧氣、水蒸氣、少量一氧化碳的產(chǎn)生和二氧化碳等氣體的吸收等，但影響極小，使得最終內(nèi)外液面高度基本無變化，呈持平狀態(tài).

通過進一步文獻閱讀發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有研究人員做了同樣的實驗證明了以上的結(jié)果.其實驗機理為用鎳鉻合金絲制作的人工燈芯，對其通電，使其加熱，當熱達到蠟燭燃點時，蠟燭被點燃，實驗和結(jié)果如圖1和圖2所示.

3.1.4實驗結(jié)論

內(nèi)部氣體化學反應對最后內(nèi)液面升高的影響極其小，幾乎可以忽略，且該結(jié)論在正常空氣情況下具有普適性.

3.2　熱力學因素的探究

3.2.1剛罩上燒杯內(nèi)液面下降的討論

剛罩上燒杯，內(nèi)液面下降，意味著燒杯內(nèi)的壓強在增大，將液面下壓.筆者采用兩種假設(shè)來解釋.

假設(shè)一：在沒有蠟燭燃燒的情況下，將燒杯倒扣在水槽中，水面也會發(fā)生下降的情況.

假設(shè)二：蠟燭沒有熄滅，一直在加熱空氣，使得瓶內(nèi)壓強增大.

對于假設(shè)一，實驗結(jié)果證明了猜想的正確.而對于假設(shè)二則認為蠟燭沒有熄滅，一直在加熱空氣，溫度升高，壓強上升.但根據(jù)這種猜想結(jié)果應該為：一開始水面就下降，并且在蠟燭熄滅以前一直都是下降.而實際情況為：水面先下降，且在蠟燭熄滅之前，水面就開始有所上升.

原因猜測：罩上燒杯后，熱空氣膨脹上升，當它上升遇到杯壁以及杯子頂部，遇冷時，溫度下降，壓強下降.一開始，上升遇冷的空氣量較少，增加的壓強大于減少的，總體表現(xiàn)出杯內(nèi)壓強增加，水面下降.

3.2.2罩上燒杯后的情況討論

罩上燒杯后分為三個階段，具體如下：

階段一：罩上之后一段時間，液面緩慢上升.這個階段與3.2.1中的假設(shè)二相悖，但筆者提出了一種解決的猜想，那么這個猜想是否正確？筆者設(shè)計了一個簡單的實驗即熱杯實驗來驗證，實驗的對照如下.

常規(guī)組：不對燒杯進行任何處理.

實驗組：蓋上燒杯前將其用100℃熱水預熱，這樣空氣受熱膨脹上升之后遇到玻璃也是熱的.

實驗數(shù)據(jù)如表2.

表2　熱杯實驗數(shù)據(jù)

通過熱杯實驗的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，熄滅時間更短，且火焰減弱前內(nèi)液面基本不上升，這點驗證了我們的猜想.有趣的現(xiàn)象是，對照組往往快速熄滅并且液面瞬間上升，且最終高度反而更高.

階段二：在蠟燭熄滅的瞬間水面快速上升

這個過程相對容易理解，熄滅瞬間熱源消失，溫度大幅度降低，根據(jù)理想氣體狀態(tài)，方程可以得出結(jié)論：在這個時候，壓強也大幅度降低，導致水面迅速上升.

階段三：蠟燭熄滅后水面繼續(xù)緩慢上升

隨后的過程中，燒杯內(nèi)的溫度逐漸降低恢復到室溫.壓強也就逐漸在減小.這個過程是逐漸且連續(xù)的，所以水在這個階段的上升較熄滅瞬間是緩慢的.至此，我們定性解釋了內(nèi)液面的上升、降低及其快慢的問題.

3.2.3最終狀態(tài)的分析和解釋

以上的分析雖然定性解釋了內(nèi)液面的上升、降低及其快慢的問題.卻還不足以說明此時內(nèi)液面會高于外液面.

比較筆者的實驗和之前的封閉實驗或者人工燈芯實驗，操作上最大的不同就是，人工燈芯實驗是在蠟燭點燃之前就把量筒放置好了.

由此可見，放下燒杯時對最后內(nèi)液面上升具有決定性的影響.隨著氧氣的消耗，產(chǎn)生的二氧化碳溶于水，產(chǎn)生的水蒸氣冷凝，導致最終瓶內(nèi)壓強減小.該部分已被證明屬于次要因素.也就是說，扣下燒杯時，空氣加熱膨脹，將大量空氣分子擠出瓶內(nèi)，當冷卻后瓶內(nèi)壓強減小，該原因應該是主要因素.

探究一：蠟燭數(shù)量的變化對實驗的影響，實驗結(jié)果如表3、圖3.

表3　蠟燭數(shù)量對實驗影響

圖3　蠟燭數(shù)量對實驗影響

實驗表明：蠟燭越多，內(nèi)液面升高越多.蠟燭數(shù)量最大影響了熱源強度，可以認為公式中Δt增大，增強了熱對流，從而使得內(nèi)液面上升高度增大，符合預期.

探究二：蠟燭高低對實驗的影響,實驗結(jié)果如表4、圖4.

表4　蠟燭高度對實驗影響

圖4　蠟燭高度對實驗影響

實驗表明：蠟燭高度越高，水面上升得越少.蠟燭高度最大影響了熱源與杯口處的距離，該實驗同樣可以論證Δt增大，使得內(nèi)液面上升高度增大，符合預期.

探究三：燒杯的容積對實驗的影響，實驗結(jié)果如表5、圖5.

表5　燒杯容積對實驗影響

圖5　燒杯容積對實驗影響

實驗表明：容積越大，內(nèi)液面上升高度越高，水上升的體積也就越大.杯子的體積影響了熱源與杯口處的熱對流的半徑，隨著內(nèi)徑D的增大，使得內(nèi)液面上升高度增大，上升體積增大，同樣符合預期.

3.3　實驗結(jié)論

(1) 內(nèi)液面先下降過程：燒杯蓋下，液體占據(jù)一定體積，體積減小，壓強增加；蠟燭加熱空氣增加的壓強大于空氣遇冷減小的壓強，總的來說杯內(nèi)壓強增加.

(2) 內(nèi)液面上升：加熱的空氣增加的壓強小于遇冷減小的壓強，總的來說杯內(nèi)壓強減小；蠟燭熄滅時水面上升速度快：溫度大幅度降低，壓強也大幅度降低；蠟燭熄滅后水面穩(wěn)步上升：溫度逐漸降回室溫，液面逐漸升高.

(3) 內(nèi)液面最終高于外液面：蓋下燒杯時，杯內(nèi)空氣加熱膨脹，此時杯內(nèi)的空氣的壓強小于同溫度下原來杯內(nèi)的氣體壓強.

4小結(jié)

在整個探究過程中，筆者立足高中物理的基本知識，基于以實驗探究和定性分析相結(jié)合的模式，涉及少量的定量分析，且實驗結(jié)果與理論預期基本一致，從而很好地揭示了實驗現(xiàn)象的本質(zhì).

參考文獻：

[1] Francisco Vera, Rodrigo Rivera, César Núez. Burning a candle in a vessel, a simple experiment with a long history. Sci & Educ 20, 881-893 (2011) .

[2] 秦允豪.熱學 [M] .北京：高等教育出版社，2002.