基于傳感器的“液體的沸點與氣壓關系”研究

陳賽玲

[摘要]傳統用來研究液體的沸點與氣壓關系的實驗裝置，由于密封性和活塞抗壓方面的不足，致使實驗時液體重新沸騰現象重復性差。而改進傳統實驗裝置的密封性，并加載溫度、氣壓傳感器，通過數據處理器連接至計算機，用繪圖軟件畫出對應關系，則可使實驗數據以圖像方式直觀呈現，實現液體多次沸騰。

[關鍵詞]傳感器；沸點與氣壓關系；改進

[中圖分類號]G633.98[文獻標識碼]A[文章編號]16746058（2018）05009502

一、問題提出

華師大版《科學》教材八年級上冊第2章第3節《大氣壓強》中有一個活動：研究氣體壓強對液體沸點的影響，其涉及知識點有：液體的沸點隨液體表面的氣壓增大而升高，減少而降低。本內容在教材中是第二次出現，所以對學生思維品質的要求進一步提高，要求學生在本課的學習過程中，能推理、理解并應用此知識點解決實際問題。

傳統的課堂演示實驗往往采用澆冷水（圖1）或用針筒抽氣的方式（圖2）來突破學生的學習難點。其優點有：現象明顯，能通過邏輯推理幫助學生理解此知識點。不足為：①降溫過快，沸騰次數少；②水重新沸騰時，不能直觀顯示溫度和氣壓值，學生無法知道燒瓶內的氣壓是否下降；③由于裝置密封性和活塞抗壓性的限制，不能使水在高于100℃時沸騰。因此學生對于“液體的沸點隨液體表面的氣壓增大而升高”這一知識點缺乏直觀體驗和實驗支持。

二、實驗改進

為解決以上三個問題，筆者經過多次改良器材，改進程序，最終設計出符合要求的實驗裝置，如圖3所示。

該實驗裝置，用DS18B20溫度傳感器和XGZP6847型氣壓傳感器采集數據，用Arduino nano主板處理數據，并通過數據線連接計算機，在計算機上安裝繪圖軟件Tempandpre用以記錄和顯示實驗數據及據此生成的溫度、氣壓圖像。

實驗過程中主要遇到以下問題：（1）在酒精燈持續加熱升溫加壓過程中，燒瓶口與橡皮塞連接處及各個玻璃管與橡皮管的連接點，承受不住巨大的壓力和水蒸氣的高溫，導致密封泥軟化，出現不同程度的漏氣問題。（2）抽氣時，尤其是氣壓迅速下降過大時，連接處的乳膠管變形而閉合，因此不能繼續抽氣使氣壓下降，達不到多次重新沸騰的理想效果。（3）所用的氣壓傳感器工作溫度不能超過100℃，而燒瓶口水蒸氣的溫度很容易超過100℃，超出氣壓傳感器的正常工作溫度。（4）傳感器記錄的實驗數據過多，在眾多的數據中不易篩選出沸騰時的溫度和氣壓值。

筆者通過查找資料、反復實驗、請教科學特級教師吳利文老師、走訪電廠、向工業實地測量取經等，逐一解決了以上問題：（1）用定制的帶磨砂口的圓底燒瓶替換普通燒瓶，并用銼刀打磨新橡皮塞外圈，增加燒瓶口與橡皮塞的摩擦力，使之能承受較大壓強而不漏氣，保證實驗的繼續進行。（2）用質地較硬的耐低溫、耐老化、耐腐蝕、耐高溫的洗車用加強型黑色橡膠軟管替換實驗室常用的乳膠軟管，使抽氣時軟管不致變形密閉，實現較大幅度的抽氣，降低氣壓而使水重復沸騰。（3）根據電廠壓力測量的實際經驗，讓硬質PVC透明管繞圈后再連接氣壓傳感器（見圖3固定于鐵架臺上的圈狀連接方式），水蒸氣在圈狀導管中逐漸冷卻降溫，使氣壓傳感器處于正常工作溫度范圍內，保證讀數的準確可靠。（4）每次抽氣至觀察到水重新沸騰才停止，觀察記錄此時的溫度和氣壓值，即為此對應壓強下水的沸點。

三、實驗結果

經過對程序、數據的多次校正和圖像呈現方式、坐標軸范圍的調整，終于實現了筆者的設想：對應同一時刻的溫度與壓強值在同一個圖像中描繪，用不同顏色顯示。經過多次重復實驗，其中某次實驗過程中計算機記錄的繪圖結果如圖4所示。

紅色線 為溫度（℃），黑色線為壓強（kPa），黑框內顯示實時采錄的溫度、氣壓數據。從圖像結合實驗具體過程可知，水在高于一個標準大氣壓且高于100℃時沸騰。熄滅酒精燈停止加熱，水降溫至完全停止沸騰后，用針筒向外抽氣，隨著壓強的顯著下降，觀察到水重新沸騰時停止抽氣，記錄此時對應的溫度和氣壓值。松手，針筒活塞復位，壓強迅速增高。繼續降溫，然后重復抽氣至水重新沸騰，記錄此時對應的溫度和氣壓值，多次重復以上步驟，直至活塞抽至針筒最大處。此次實驗，共實現了11次水的重新沸騰（見圖4）。

重新將水加熱至沸騰，重復以上實驗。在不同的時間內記錄的多組數據中，若出現沸點溫度相同，記錄壓強最高值，因為壓強低時，液體更容易沸騰。采用這種方式，刪除部分數據，留下的數據，按溫度降序整理，詳細見表1。

從表中可以看出，第8、13、16、20、21、22這6組數據，壓強值低于或等于下一組或下下組的壓強值，分析原因可能是人工抽氣幅度過大，使壓強下降過快，水迅速沸騰。又因沸騰的水可以在更低的壓強下持續沸騰，因此去掉這6組數值，將剩余的實驗數據用Excel軟件繪制圖像，見圖5。

從圖5中可以直觀看出，液體的沸點隨液體表面的氣壓增大而升高，減少而降低。由此可以有效突破此教學難點。

本實驗實現了兩大創新：（1）通過計算機技術、傳感器與科學的有機結合，可實時描點繪制曲線記錄結果：溫度、壓強值直觀可視，使實驗從定性走向定量。（2）水可以在高于一個標準大氣壓（181kPa），108℃時沸騰，為“液體沸點隨其表面氣壓的增大而升高”提供實驗數據，彌補傳統實驗只能降溫降壓使液體重新沸騰的不足。

四、反思與展望

將溫度和壓強放在同一個圖中，使數據對應且直觀可視，卻使溫度的區分度不大。

關閉軟件后數據不能自動保存，唯有關閉之前人工記錄并篩選后，再用Excel處理繪圖，實驗結果尚缺自動識別和篩選數據功能。

本實驗采用人工抽氣的方式，抽氣幅度不可控制，導致有時抽氣過多，降壓過快，產生無效數據，且因人力有限，在氣壓越來越低的過程中，拉動針筒活塞越來越費力，導致實驗不能到達氣壓最低值，重復性較差。是否可以考慮增加一個小電動機，像醫院勻速注射藥物似的向外拉活塞，控制活塞拉動幅度，提高數據的重復性？

上述問題，尚待繼續嘗試改進，以使實驗效果更理想。

[參考文獻]

[1]黃建明，徐玲.對沸點隨氣壓改變演示實驗的改進[J].物理教學探討（上半月），2004（3）.

[2]吳玉萍.關于沸點與氣壓關系兩種改進裝置的對比[J].物理通報，2015（7）.

（責任編輯黃春香）