創新設計“水蒸氣凝結”實驗

余美賢 賴志標

Innovative Design of “Steam Condensation” Experiment

YU Meixian， LAI Zhibiao

（Zhongshan Xiaolan Guangyuan School， Zhongshan， Guangdong 528415）

中圖分類號：G424??????????????? 文獻標識碼：A???????????????? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.02.043

對于水蒸氣凝結的實驗，教材的要求是：將培養皿蓋在盛有半杯水的燒杯上，把燒杯放在陽光下一段時間，觀察實驗現象（燒杯里的水緩慢變熱，培養皿下方形成小水珠）;得出實驗結論，水蒸氣遇冷形成小水珠（如圖1）。該實驗的目的是讓學生通過觀察知道水能蒸發成水蒸氣，水蒸氣能凝結為水，但在教學實踐中發現，教材上的探究活動，存在幾個問題：該實驗需要在室外陽光下進行，受外界環境（如天氣、氣溫）影響，不能準確控制水、培養皿的溫度;被陽光照射后的培養皿溫度也會升高，所以該實驗只能證明水蒸氣形成小水珠，不能證明水蒸氣是因為遇冷才形成小水珠;無法證明水蒸氣遇熱的情況下不能形成小水珠。

為此，我們制作了新教具——水蒸氣凝結裝置，并創新實驗方法進行教學，取得了不錯的教學效果。改進思路為：能在室內即可完成實驗，不受外界環境影響;能直觀快速地觀察到水蒸氣凝結現象;通過對比實驗，知道水蒸氣凝結的溫度條件是遇冷。

實驗材料

木板（厚度0.3 cm）、亞克力板（厚度0.3 cm）、膠水、鏡子（長14 cm、寬12.5 cm、厚0.5 mm）、12 V燒水棒（2個）、1700 mL水，以及硬件Arduino Nano控制板、串口屏、鋁基板熱床（2個）、溫度傳感器、穩壓電源、杜邦線、激光切割機和Arduino IDE軟件等。

實驗制作

1.制作無蓋水槽

利用激光切割機、亞克力板、膠水制成一個長20 cm、寬10 cm、高20 cm的無蓋水槽，并在水槽上方粘上長10 cm、寬1 cm的木條（隔離作用、減少實驗中的熱傳遞）。

2.固定鋁基板熱床

將兩塊鋁基板熱床通過螺絲固定在木條上，避免學生實驗時因不小心觸碰加熱的鋁基板熱床被燙傷。在木條上涂色，紅色表示下方的鋁基板熱床要加熱、藍色表示不加熱（參見圖2）。

3.制作底部收納木盒

利用激光切割機、木板制成一個長27 cm、寬20 cm、高7 cm的木盒。

4.選取鏡子的尺寸

根據光的反射定律，即反射角等于入射角，且通過實際實驗，水的折射對本實驗的效果幾乎沒有影響，故將鏡子與水槽底部的夾角設置為45°。經過計算和多次實驗，最后選取長14 cm、寬12.5 cm、厚0.5 mm的鏡子，放入水槽中（如圖2）。

5.確定水的體積

為了能在實驗裝置的正前方得到鏡子反射出的較完整的圖像，通過多次實驗，將水的體積確定為1700 mL。

6.組裝裝置

將無蓋水槽、收納木盒、鏡子、燒水棒、Arduino Nano控制板、串口屏、鋁基板熱床、溫度傳感器、穩壓電源、杜邦線等材料組裝完整（如圖3）。

實驗原理

實驗選用兩塊相同的鋁基板熱床蓋在裝了水的水槽上，一塊接上電源進行加熱（通過Arduino IDE編程使溫度恒定為70 ℃），另一塊不接電源、不做改變。兩塊鋁基板中間用導熱性差的木條隔開，減少熱傳遞。水槽中熱水的溫度通過Arduino IDE編程保持為60 ℃。一段時間后，未加熱的鋁基板熱床下出現大量的水珠，而經過加熱的鋁基板熱床下沒有水珠，由此可證明：水蒸氣在遇冷時才凝結，遇冷是水蒸氣變成水的條件之一。

1.對比探究水蒸氣形成水珠的條件

將兩塊相同的鋁基板熱床蓋在裝了水的水槽上，一塊保持常溫，另一塊接上電源進行加熱（中間用導熱性差的木塊隔開，減少熱傳遞），同時蓋在裝有熱水的水槽上一段時間（如圖4）。

大約5分鐘后，沒有加熱的鋁基板下出現大量的水珠，而經過加熱的鋁基板下沒有水珠（如圖5）。學生很容易認識到遇冷是水蒸氣凝結成水的條件之一。

2.精確溫度，縮短實驗時間

通過Arduino Nano編程和控制各電路元件，將鋁基板熱床的溫度恒定為70 ℃，持續加熱。熱水的溫度保持為60 ℃，考慮到控溫元器件的精度，所以會有±2 ℃的差值，也就是58 ℃以下便要加熱，62 ℃以上就停止加熱。

鋁基板熱床與熱水溫度的設計依據：①水的體積：1700 mL;②3 mm亞克力板的短時間耐熱溫度為：96 ℃;③燒水棒加熱時間;④鋁基板下水珠分析。

通過表1中熱水溫度與不加熱的鋁基板熱床下方水珠關系的數據，確定熱水溫度為60 ℃;分析表2鋁基板熱床的加熱溫度與其下方水珠有無關系，確定鋁基板熱床加熱溫度為70 ℃。

3.鏡子反射，便于觀察鋁基板熱床下的情況

由于鋁基板熱床是不透明的，且實驗中水槽壁有小水珠，影響視線，不便于學生觀察鋁基板熱床下方的實驗現象。因此，在水里加入鏡子，根據光的反射定律，且通過多次實驗驗證，水的折射對本實驗的效果幾乎沒有影響，故將鏡子與平面的夾角設置為45°。學生在裝置前方可以清晰地觀察到鋁基板熱床下的情形（如圖6）。

實驗優點

不受外界環境影響，只需要供電即可進行實驗。縮短了實驗時間，5分鐘內即可觀察到明顯的實驗現象，且實驗結果對比差異明顯。經過加熱的鋁基板熱床下沒有水珠，而沒有加熱的鋁基板熱床下出現大量的水珠，說明水蒸氣是在遇冷時凝結，能使學生深刻理解遇冷是水蒸氣凝結的條件之一，從而有效地攻克教學難點。在水里加入鏡子，學生在裝置前方可以清晰地觀察到鋁基板熱床下方的情形。