“用溫度計測量水的溫度”實驗的深度探究

李 燦 楊文健 熊舉峰

(湖南師范大學物理與電子科學學院 湖南 長沙 410081)

1 問題的提出

“用溫度計測量水的溫度”是2012年版人教社八年級上冊物理教材中的一個學生必做實驗，如圖1所示.并且在實驗的后面總結出了3個要點：

(1)溫度計的玻璃泡應該全部浸入被測液體中，不要碰到容器壁或容器底.

(2)溫度計的玻璃泡浸入被測液體后要稍等一會兒，待溫度計的示數穩定后再讀數.

(3)讀數時溫度計的玻璃泡要繼續留在液體中，視線要與溫度計中液柱的液面相平[1].

圖1 人教社八年級上冊物理教材中的實驗

筆者在網上觀看了許多優秀教師的上課視頻，發現在教學中，教師一般都直接告訴學生實驗的3個要點，讓學生按照書上的要求去做，弱化了讓學生經歷科學探究的過程.事實上，老師們往往忽視了這3個要點中所隱含的具有探究價值的要素：

(1)溫度計置于不同位置時對測量影響有多大？

(2)讀數時玻璃泡浸入被測液體后需要等待多久才能讀數？

(3)讀數時視線與液柱的液面不平行對結果會有怎樣的影響？

本文通過實驗對以上3個隱含問題進行了深度探究.

2 實驗探究

2.1 探究溫度計在不同位置對水溫測量的影響

2.1.1 實驗設計與操作

(1) 實驗器材

350 mL燒杯，鐵架臺，分度值為1 ℃、量程為100 ℃的酒精溫度計.

(2)實驗條件

25 ℃室溫，濕度40%，在燒杯中裝入300 mL 85 ℃的水.

(3) 操作

如圖2所示，將盛有水的燒杯放在鐵架臺上，懸掛兩根相同規格的酒精溫度計.把一根溫度計以規范的方式置于水中測量，另一根則分別以接觸燒杯底部、接觸燒杯側壁和一半浸入水中的方式測量，如圖3～5所示.

圖2 實驗裝置 圖3 接觸燒杯底部

圖4 接觸燒杯側壁 圖5 一半浸入水中

讓水自然冷卻，分別測量不同水溫下溫度計的示數.完成測量后將其數據填入表格進行整理，如表1所示.

表1 不同水溫下溫度計在不同位置所測溫度對比

2.1.2 數據分析與教學建議

從表中實驗數據可以看出，3種不正確方式的測量都會與實際溫度產生偏差.而且所測水溫越高其產生的偏差越大，當水溫在85 ℃時，玻璃泡浸入一半時測得溫度的偏差高達11.4 ℃，其他兩種方式所測得的溫度偏差也超過了5 ℃.隨著溫度的降低，雖然測量偏差逐漸減小，但產生的偏差卻依然較為明顯.

從操作方式上來看，當溫度計玻璃泡浸入一半時對溫度測量的影響最大，觸壁測量時差別最小.

在教授了學生正確的溫度計讀數方式后，教師可以帶領學生從“試誤”的角度測量幾組錯誤操作方式下的溫度，使學生經歷科學探究的過程，從而加深對正確操作方式的理解.

2.2 探究水溫隨時間的變化

2.2.1 實驗設計與操作

(1)實驗器材

350 mL燒杯，鐵架臺，數字溫度計，分度值為1 ℃、量程為100 ℃的酒精溫度計.

(2)實驗條件

25 ℃室溫，濕度40%，在燒杯中裝入300 mL 99.6 ℃的沸水.

(3)操作

將數字溫度計和酒精溫度計同時放入沸水中進行測量，測量沸水逐漸冷卻過程中的溫度變化，如圖6所示.

圖6 數字溫度計和酒精溫度計同時測量

測量的溫度數據記錄在表2中.

表2 300 mL水溫隨時間的變化情況

2.2.2 數據分析及教學建議

從表2中的數據可以看出，前5 min之內，溫度變化了16.7 ℃，平均每分鐘變化3.34 ℃，每秒鐘變化0.056 ℃，而我們一般使用溫度計讀數都要在水中停留3～5 s之后再讀數，若取中間值4 s進行讀數，則會產生0.22 ℃左右的讀數偏差，這個數值偏差肉眼上是可以辨識的，而5 min之后的溫度變化逐漸趨于緩慢，溫度計的示數較為穩定.因此，當使用酒精溫度計在較高溫度的水中讀數時，溫度計的液柱無法保持在相對穩定的狀態，讀數也就容易受到影響.

教材中的要點“溫度計的玻璃泡浸入被測液體后要稍等片刻，待溫度計的示數穩定后再讀數”是教師在教學中必須強調的.但是由于水溫較高時，受對流、輻射等因素的影響而導致水溫變化劇烈，會影響到溫度計的正常測量.

因此，教師對學生進行一定的客觀規律知識普及，定性告訴他們為什么高溫時水溫變化劇烈的原因，從而讓學生注意盡量不要在溫度過高的時候讀數是有必要的.

2.3 探究觀測角度對讀數的影響

2.3.1實驗設計與操作

我們選取幾個常見的角度對溫度計進行讀數.不管溫度計是否置于被測液體中，其讀數的方法都是一樣的，因此可以將溫度計單獨拿出來讀數.在實際觀測中，我們選取一塊硬紙板，在硬紙板上作一條與直角邊平行的線，并選取一個原點P，然后用量角器測量好相應的角度，并用線條將角度畫出，如圖7所示，需要測量哪個角度時，則將一枚大頭針固定在該角度直線上的某一點，測量時將硬紙板的另一直角邊靠在溫度計上，使大頭針與酒精液柱兩點成一直線，利用光的直線傳播原理，將視線對準大頭針進行讀數，如圖8所示.將觀測所得到的數據在表3中呈現.

圖7 在硬紙板上畫出相應角度

圖8 將大頭針固定在硬紙板的某角度上

表3 不規范操作時溫度計的讀數

2.3.2 理論分析與驗證

圖9 模擬光路圖

sini=nsinr

(1)

sin2r+cos2r=1

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得

(4)

再由幾何關系可得

(5)

(6)

將相應的角度代入式(6)中，與表3進行對比，如表4所示.

表4 理論偏差與實際偏差對比

2.3.3 數據分析與教學建議

由以上數據可以看出，讀數所產生的偏差隨著角度的增大而增大.實際測量中，由于酒精溫度計的精度不高，故在偏差為10°之內時其測量偏差不明顯，但是隨著偏差的角度逐漸由15°繼續往上增大時，其測量偏差就愈加明顯，且這個偏差與理論計算值基本吻合.

在實際教學中，教師強調正確的讀數方法固然是必要的，但如果能進一步引導學生從正確讀數的反面來探究問題的話，對培養學生的科學探究能力是大有裨益的.

3 總結

通過對教科書中3個問題的質疑，分別從試誤的角度對3個問題進行了深度的實驗探究，得出了不規范放置溫度計對讀數影響的具體數值、溫度較高時測量水溫容易產生偏差以及觀測角度對讀數影響的實際值與理論值.在實際教學中，教師在明確規范性操作的同時，可以引導學生從“試誤”的角度去進行實驗，使學生經歷科學探究的過程，從而加深對正確操作的理解.