可以這樣探究液體沸騰需要持續吸熱嗎？

任少鐸

廈門市海滄區東孚中學，福建 廈門 361000

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗可以檢驗理論，但實驗本身應當是嚴謹和科學的，否則實驗就沒有“探究”或“檢驗”的功效了。“探究水沸騰的條件”是初中階段重要的熱學實驗，然而當前教學中的主流實驗方案卻不夠合理、科學。部分中考試題的創新方案亦存在類似問題。這對學生科學思維、科學探究素養的培育造成了不良的影響。

1 當前主流方案分析

初中階段，通常認為液體沸騰的條件是：達到沸點，持續吸熱。“探究水沸騰的條件”的重點是“探究水沸騰是否要持續吸熱”。

水沸騰需要同時滿足“達到沸點”和“持續吸熱”兩個條件。探究水沸騰是否需要“持續吸熱”，應當先滿足“達到沸點”這一條件，即：先加熱使水沸騰，接著使水溫保持在沸點，然后讓水無法吸熱，觀察水是否還能沸騰，倘若水不能沸騰，就說明水沸騰需要“持續吸熱”。

為了說明沸騰需要滿足“持續吸熱”這一條件，當前教學中廣泛采用的方案主要有兩種，一種是“沸騰后移走酒精燈或燒杯，觀察水是否還能繼續沸騰”，如圖1所示；另一種是“用水浴法給試管加熱，觀察試管內的水能否沸騰”，如圖2所示。然而，這兩種方案都不夠嚴謹。

圖1 移走酒精燈

圖2 水浴法加熱

“移走酒精燈或燒杯”的方案不滿足“達到沸點”這一條件。在水沸騰后僅僅“移走酒精燈或燒杯”，水溫也會立刻下降到沸點以下，此時“達到沸點”這一條件就不成立了，不能說明就是“無法持續吸熱”導致了水停止沸騰。事實上，此時水不能繼續沸騰的原因其實是“沒有達到沸點”。實驗中，停止加熱后，由于石棉網或燒杯底的溫度仍高于沸點，水可以繼續沸騰一小會兒，之后就會停止沸騰。然而，水停止沸騰后溫度計的示數卻沒有立刻下降，不少教師就認為此時水溫仍是沸點，并由此現象得出：水沸騰需要“持續吸熱”。但這樣并不正確，因為即使溫度計示數沒有立刻下降，但水溫（至少是局部水溫）肯定是下降的，除非此時環境溫度也達到了水的沸點且周圍空氣處于飽和蒸氣壓狀態，否則離開熱源后水就會因為汽化和向空氣散熱而降溫。至于溫度計示數沒有立刻下降，有兩個方面的原因。一方面，溫度計的玻璃泡一般處于水的中間，水溫下降是從局部開始的，蔓延到中間需要一定的時間；另一方面，溫度計顯示被測物體的溫度具有一定的“延時性”，因為溫度計內的液體與被測物體達到熱平衡狀態需要時間，正如用水銀體溫計測體溫需要等待體溫計與身體接觸一定的時間才能讀數一樣。

“用水浴法給試管加熱”的方案也不滿足“達到沸點”這一條件，因為試管內的水根本達不到沸點。實際上，試管內的水也要蒸發，蒸發需要吸熱，所以最終試管內的水溫會比燒杯內的水溫低一些。筆者經過多次實驗發現，當燒杯內的水沸騰時，試管內的水溫度會比燒杯內的水溫度低3℃～4℃，這個溫差使得試管會從燒杯內的水中吸熱，吸收的熱量剛好用于維持試管內水的蒸發［1］。

因此，當前的兩種主流方案在探究水沸騰需要滿足“持續吸熱”這一條件時，都沒有滿足“達到沸點”這一條件，所以都不夠嚴謹和科學。

2 對試題中創新方案的剖析

一些試題認識到了“水浴法”探究方案的缺點，并設計創新方案改進實驗，可惜的是試題中設計的創新方案仍存在科學性問題，無法達成預期目的。

2.1 試題呈現

（某地中考真題）如圖3為驗證沸騰條件的實驗裝置……

圖3 中考真題圖

（1）……

（2）……

（3）18分鐘以后，為什么小燒杯中水的溫度保持94℃穩定，但又低于大燒杯中水的溫度（100℃）？請分析其原因。

（4）為了驗證液體的沸騰除了要滿足溫度達到沸點，還需要繼續吸熱的條件，同學們經過討論，認為只需改進原裝置即可。如圖4所示的改進方案中，_______更合理。

圖4 試題的改進方案

【答案分析】本題第（3）問的答案為：小燒杯內的水吸收的熱量與散失的熱量處于平衡狀態，不能使小燒杯內的水溫再升高。第（4）問的答案為：方案2。

2.2 試題中創新方案分析

題目第（3）問的設計非常嚴謹，關注到了用“水浴法”探究液體沸騰條件的不嚴謹之處，引導學生嚴謹地分析和推理，明確了小燒杯內的水要蒸發吸熱，小燒杯內的水只有與大燒杯內的水有溫度差時才能維持自己的蒸發，這種設計有利于學生科學思維和科學探究素養的發展。遺憾的是，題目第（4）問的兩種創新方案都無法達到目的。

對于方案1，需要分為兩種情況討論。第一種情況，蓋子沒有將小燒杯密封。此時小燒杯內還會有水蒸氣逃逸到小燒杯外面（凈蒸發），小燒杯內的水溫還會低于大燒杯內的水溫（因為要維持小燒杯內水的蒸發），盡管可以縮小與大燒杯內水的溫差，但小燒杯內的水溫仍然達不到沸點。實際上，蓋子不僅會減慢汽化，還會使小燒杯內的氣壓變大從而使小燒杯內的水沸點略微升高，所以小燒杯內的水無論如何都達不到沸點。第二種情況，蓋子將小燒杯徹底密封。假設外界為標準大氣壓，那么隨著加熱的進行，小燒杯內的氣壓會變大，水的沸點會升高。雖然小燒杯內的水溫會升高到幾乎接近大燒杯內的水溫，但仍無法達到自己的沸點（因為沸點升高了很多）。不難發現，方案1的兩種情況小燒杯內的水都達不到自己的沸點，又如何驗證液體的沸騰除了要滿足溫度達到沸點，還需要持續吸熱的條件？所以方案1不能達到目的。

對于方案2，也需要分為兩種情況討論。第一種情況，蓋子沒有將大燒杯密封。加熱時大、小燒杯內的水蒸氣還是會逃逸出去（凈蒸發），又由于小燒杯內的水無法與大燒杯內的水對流，小燒杯內的水溫仍追不上大燒杯內的水溫（因為要維持小燒杯內的蒸發），只是會縮小差距而已，小燒杯內的水溫還是達不到沸點；第二種情況，蓋子將大燒杯徹底密封。隨著加熱的進行，大燒杯內的氣壓也會變大，整個大、小燒杯內水的沸點都會升高。尚且不談水溫是否能達到沸點，隨著加熱的進行大燒杯一定會爆炸，就像堵塞閥門的高壓鍋爆炸一樣。這種情況已經不是方案是否能夠完成探究目的的問題了，而是在學生實驗中一定不能有這種不安全的操作。不難發現，方案2的兩種情況中，第一種情況小燒杯內的水達不到自己的沸點，第二種情況因有巨大的安全隱患絕不可行。所以，方案2也不能達到目的。

3 思考與教學建議

目前，初中階段要通過實驗嚴謹地證明水沸騰需要“持續吸熱”是比較困難的，因為要精確地控制水溫在沸點且不能吸熱，這種要求在初中階段幾乎不能在演示實驗或學生實驗中實現。筆者認為，物理學是一門嚴謹的學科，講究科學性和嚴謹性，要用嚴謹的實驗去探究物理規律。對于水沸騰條件的講解，筆者更傾向于用理論分析，即：由于沸騰時水會劇烈“翻滾”和汽化，這個過程需要外界提供能量，所以水沸騰會持續吸熱用于維持“翻滾”和汽化。盡管沒有實驗探究總顯得沒有“物理味”，但用不嚴謹的實驗更不可取。

當前，一線教學中和各地中考試題中還廣泛存在用不嚴謹的方案“探究水沸騰是否需要持續吸熱”的情況，這對彰顯物理學科的科學性和嚴謹性是非常不利的，對于學生科學思維、科學探究素養的培育是值得商榷的。作為教師，在進行實驗時，要關注實驗本身是否科學，倘若實驗本身就不嚴謹、不科學，那么就不能用于探究或驗證物理規律，否則會嚴重誤導學生，得不償失。即使無法找到合適的實驗去探究或驗證，也不能用錯誤的實驗去“誤導”學生，用理論解釋也并非一無是處，只要理論正確、嚴密且符合學生的認知結構和思維水平，同樣可以幫助學生理解知識，發展素養。