沸点与压强关系演示实验的改进
液体的沸点与压强关系的演示,新编初中课本《物理》第一册是用抽气法,过去的教材则用水淋法。两种方法的共同缺点,是烧瓶内压强的变化不能直观地显现出来,而且水淋法实验后瓶塞不易拔出。江西省清江樟树镇中学席桑田老师吸取别人经验,采用下述改进措施,取得较好的教学效果。
实验装置如图1所示:瓶塞上插一根直玻璃管和一根T形玻璃管。直管上端按有小气球;T形管的上管口套接一段挂带螺丝夹的橡皮管,侧管口用橡皮管接一个大型注射器。演示的方法和步骤是:
(1)将注射器的柱塞拉至筒口,放松螺丝夹,使瓶内的水面与大气相通。点燃酒精灯给烧瓶加热。水沸腾后,旋紧螺丝夹。推进注射器的柱塞给瓶内打气。这时,小气球逐渐鼓起来,显示出瓶内压强大于大气压强,同时,可以看到水冷却停止沸腾。酒精灯这时尚未移开(瓶内水的温度未降低),但要适时移去,以防小气球爆破。
(2)旋松螺丝夹,水又沸腾。待水中无气泡逸出时,旋紧螺丝夹,将注射器的柱塞从筒底往外拉,对烧瓶抽气。可以看到小球逐渐变扁,说明瓶内压强比大气压小,同时水继续沸腾。
装套的小气球,既是指示器——形象地反映瓶内压强的变化情况,又是安全阀——瓶内压强过大时气球爆破,以免烧瓶炸裂。
液体蒸发时温度降低的实验改进
液体汽化时要吸收热量,同时本身温度降低,这是生产和生活中经常遇到的问题,如致冷设备就是根据这个道理制成的,故做好此实验是很重要的。
初中物理课本中此传统实验做法,温度下降幅度小,时间较长。如果改用下面的方法做此实验,则效果较佳。
器材:①学生实验用的微型直流电动机一台,轴上装上自制叶轮(做法见注)。②6V电池组一组(15V干电池四节串联,或低压电源、或蓄电池组)。③一小瓶酒精(可用小磨口瓶装)。④温度计一支。⑤电键一个、导线若干。
浙江省桐庐县桐君中学包先正老师介绍实验操作步骤如下:
图2(1)把微型电动机、电池组、电键按图2所示用导线连好,然后闭合电键K,使电动机转动,则成为一只小电风扇,扇动起来。
(2)把温度计在酒精中浸一下,立即放在小电风扇前扇,温度立即下降8℃-11℃,历时十多秒钟,酒精蒸发完了,温度又回升;如再在酒精中浸一下,重做一次,也不过多化十多秒钟,时间节约、温度下降幅度大,过程明显。
优点:(1)此实验可以在课堂上由学生做分组实验。边讲边实验、效果好。(2)实验过程明显,温度下降幅度大、时间节约、操作简便。(3)微型直流电动机,是规定学生自己装配的一个分组实验,现把装配好的先拿出来用一下,一方面可以激发学生的学习兴趣与积极性,另一方面可以在以后装配时减小难度。因装好的实物已经见过。
注意:
(1)用酒精温度计,易于观察(因色红)。
(2)电键按下时,应将叶轮用手转动,以保证电动机顺利启动。
(3)电动机先启动,再用温度计蘸酒精,放到叶轮前扇。
(4)学生电学还未学,实验前应把电路全部接好,只把电键打开着。并注意电扇不要反扇。
注:叶轮可按图3自制:沿虚线剪开,再弯成电风扇叶片形。薄铁片可用废水果罐头壳直径4-6厘米均可。
用冷水使水沸腾
通过这个演示实验,向学生介绍气体压强对沸腾的影响。他们将看到在温度下降时水的沸腾。
器材
(1)短颈蒸馏烧瓶;(2)橡皮塞;(3)环形架;(4)夹子;(5)烧杯或水罐;(6)水槽。
操作过程
(1)加热短颈蒸馏烧瓶,使瓶中的水(约为瓶容量的一半)沸腾并使瓶中充满水蒸汽,继续加热一会儿使绝大多数空气被排出。
(2)用夹子小心地将烧瓶撤离火源,并立即用橡皮塞塞紧瓶口。
(3)待水停止沸腾后,倒置烧瓶于一环形架上。
(4)将一水槽或其他容器放于瓶下(见图4)。
(5)往烧瓶上浇冷水并观察结果。烧瓶中的水将再次开始沸腾,并持续到烧瓶被冷水浇透为止。
引导提问
(1)你观察到汽泡形成了吗?
(2)烧瓶中的水真正在沸腾吗?
(3)若瓶中的水在沸腾,为什么它会在没有加热的条件下沸腾?
(4)怎样定义沸腾?
(5)水在什么温度下沸腾?
(6)当你上到高山上时,水在什么温度下沸腾?
(7)水将继续沸腾多久?
(8)若开始时没有将烧瓶中水加热到水的沸点,水可能沸腾吗?
(9)水为什么会沸腾?
操作时,可能发生变化
(1)沸腾时间的长短;(2)浇到烧瓶上的水的温度;(3)烧瓶的体积;(4)瓶中水的量;(5)溶解在水中的物质(盐、糖或酸等)。
解释
这个演示表明液体沸腾的温度取决于压强。在沸腾过程中,水蒸气排出了瓶中大部分空气,当烧瓶被塞住后,空气不能回到瓶中。而水蒸气凝聚成液体时,瓶内压强减小,因而使水在较低温度下沸腾。
这是几个包括物理、生命及地球科学的演示实验。将鼓励学生的创造性思维和科学兴趣。
冷水使水沸腾的装置①烧杯②环形架③水槽④橡皮塞⑤沸水⑥烧瓶⑦冷水演示低压沸腾的简易方法
找一个青霉素的空瓶,不要把铝帽去掉。用注射器向瓶内注水,洗净。然后用注射器注入适量的清水(一般为瓶容积的1/2左右),再放入烧杯里的水中(烧杯中的水位等于青霉素瓶的高度)。用酒精灯加热烧杯里的水(如图5所示),水温达到80℃左右时将酒精灯熄灭。把注射器针头插入青霉素瓶内,然后将青霉素瓶、注射器一同拿出(如图6所示)。这时将活塞往上拉即可见80℃的热水因压强降低而沸腾;推压活塞压强增大,水又停止了沸腾。
由于加热时烧杯中青霉素瓶也被加热,使其内部气体受热膨胀,增压。因此,在演示前最好用注射器排除瓶内的部分气体,演示效果更佳。
对水沸腾实验的质疑及改进
初中物理教材第一册第四章第五节中实验:《观察水的沸腾》,其目的之一是观察水沸腾时的温度情况。实验的结果应为:水沸腾后温度计的示数为100℃左右,且保持不变。但在准备实验时却意外地发现:水在100℃左右沸腾后温度继续升高,最后竟达到了108℃左右(本地区气压接近1个标准大气压,水的沸点应为100℃左右)。起初,怀疑所用温度计不准确,但换用几只温度计重复以上实验,均得到了同样的结果,相信各位同行在做本实验时,也会遇到同样的问题。山东省利津县北宋中学王俊华、翟志刚老师对以上现象发生的原因作了分析,并提出对实验的几点改进建议。
原因浅析
首先,水沸腾时,剧烈汽化,水中产生大量的气泡,水蒸气不断向气泡内蒸发,气泡迅速胀大,但气泡的胀大要受到水和别的气泡的阻碍;同时,气泡从生成到升至水面破裂又需要一段时间,所以,气泡内的蒸气压便大于水面上的气压,致使水的沸点超过了100℃;再者,水沸腾时,水内部和容器壁上的小气泡起着“汽化核”的作用,它使水在其周围汽化。如果实验用水是久经煮沸的水,因内部缺少气泡,即缺“汽化核”,它可以加热到沸点以上还不沸腾,成为“过热水”,它的沸点会大大超过100℃。
改进建议
(1)不要为了节省时间而只在容器中加入少量的水和把酒精灯的火焰调得过大,这样会使水的沸腾过于剧烈,气泡内蒸气压偏大,水的沸点偏高,同时也有开水溢出伤人的危险。
(2)温度计的玻璃泡不要插得过深,一般以刚好浸没在液面以下为宜,因水沸腾后,越深的地方温度越高。
(3)每次实验时,均应更换新鲜冷(温)水,不要用沸腾过的水,以防水的“暴沸”,因“过热水”一旦沸腾,气泡内的蒸气压迅速增大,气泡的膨胀非常快,甚至发生爆炸而打破容器,发生危险(在容器中加适量的粗沙粒也可防止水的暴沸,学生分组实验可采用此法)。
本实验经以上改进后,收到了良好的实验效果,水的沸腾温度稳定到了(100±1)℃。
沸腾致冷演示器研制
液体沸腾致冷概念,学生很难形成。又因课本上的沸腾实验是用火焰对水的加热进行的,学生会错误感到沸腾不能制冷。
为了加强演示效果,作者研制了液体沸腾致冷器。因为氨致冷剂有毒,又有强烈的刺激味,不能作为教学演示用品,作者取用氟利昂作演示液体样品,因为它无毒、无味(只要不在明火处演示,满足教学卫生和安全要求)。
辽宁锦州十二中张长山、锦铁二中杨劲松老师的设计如图7所示,将试管放入盛水烧杯中,用废旧的1千克气体灭火器内高压罐作成致冷剂贮液罐(其耐压远远超过国家压力容器规定)。罐口装一个阀门,阀门连接毛细铜管。演示时毛细管管口插到试管管底,为使氟利昂以液态流入试管,演示时贮罐要倒立,并要高于试管。调节阀门开度,使试管中液面高度保持在4~5厘米,此时可看到试管内致冷剂液体剧烈沸腾,30~50秒钟后停止供液并取出试管,可看到试管外壁结有4~5厘米长、3~5厘米厚的冰层,从而证明了沸腾致冷。
液体的沸点与压强关系演示的改进
按照初中物理课本要求,这个实验用抽气机抽去烧瓶内的气体来降压,效果不错,但沸腾的时间太短,沸点也降得不低,效果不够明显。这是因为抽气后,橡皮管就被大气压压扁,就不能再抽气,沸点也就不能再下降。有人用嘴来抽气,效果很差。经多次实验河北邯郸市第十三中学霍洪宾发现了一个比较好的实验方法,介绍给大家:
(1)实验原理:通过增、减密闭水蒸气来增压和减压,从而实现沸点的升高和降低。
(2)实验装置:如图8,此外还要烧杯、酒精灯、铁三角架、自由夹等。
(3)演示方法:在500CC的烧瓶中装水,约占烧瓶球部体积的一半,用酒精灯加热,引导学生观察温度计的示数的变化,开始时液体的沸腾温度即沸点,始终保持不变,而且还在吸热。用自由夹夹住橡皮管,瓶内水蒸气被密闭,瓶塞塞紧,用手或别的方法把塞压住,不要让它崩开,下边的酒精灯继续加热,瓶内水蒸气不断增加,压强不断增大,沸点也随着升高,待升到110度时,停止加热。这说明压强增大时,沸点升高。
这样做烧瓶是否会爆炸呢?在增压时如果橡皮管会被水蒸气的压强压得鼓起来,就表示危险,不能再塞住它了,这就可以作为防止爆炸的准备。
为了让同学们看到压强降低时沸点的变化情况,就可以停止加热,把烧瓶全部浸没在装有冷水的烧杯中,此时水又沸腾起来了,而且沸腾得更剧烈,这是由于密闭的水蒸气遇冷液化,水蒸气不断减少,压强不断降低造成的。沸点最后可降到54℃左右,接着沸腾停止了。从停止加热到沸腾停止一共可持续3-4分钟。同学们个个看得清楚,感到十分惊讶,大开眼界,都说:“只知道水的沸腾点是100℃,摄氏50多度的水怎么会沸腾呢?今天看到了,沸点受压强影响的概念,清楚了,印象十分深刻。”
小水珠是怎样形成的
观察水的沸腾和冰的熔解,这个实验目的是观察冰的熔解和水的沸腾过程,测量冰的熔点和水的沸点,加深对熔解和沸腾过程中,温度不发生变化的理解,建立熔解热和汽化热的概念。
在实验时我们发现,将水和冰混合后放进玻璃试管中,很快在试管的外壁出现水珠。另外,在用酒精灯加热烧杯中的水观察水的沸腾实验中,加热初期,烧杯的外壁又出现了水珠(实验时间:深秋)。这会影响试管或烧杯中温度计的观察,应用手把它擦去,以便观察温度计的读数。如果我们进一步想一下,这个实验为什么会两次出现水珠呢?从现象上看起来水珠是露,到底是不是,还得从头分析。
露是温度降低,空气中未饱和的水汽达到饱和时凝结而成的水珠,首先来看看装冰、水混合物的试管外壁的水珠。装进冰和水后,冰和水很快达到热平衡,温度应是零度。这个温度明显低于实验室的温度(13℃)。与冰水直接接触的是试管,所以试管的温度也很快从室温降低,这样试管周围的空气温度也要降低,从而使这部分空气中的水汽达到饱和状态,于是,就不断以玻璃试管的外壁为凝结中心凝结成水珠。这就是试管外壁水珠的由来,它是露。学生轻轻擦去的就是物理学中一个重要的物理现象——露点现象。
那么,用酒精灯加热烧杯中的水,观察水的沸腾时,加热初期在烧杯外壁出现的水珠又是怎样形成的呢?先沿着前面分析的思路分析一下,酒精灯加热水,水的温度升高,玻璃烧杯的温度升高,烧杯周围空气的温度也升高。空气的温度升高,空气内的水汽的饱和气压升高,水汽气压离饱和气压越来越远,即未饱和程度加深,露当然不会出现。显然,这样分析是不对的。如果死守物理程序,这个问题就无解了,必须把酒精灯考虑进去,加进化学知识。酒精与氧气燃烧产生水和二氧化碳,其反应方程为:
C2H5OH+3O2燃烧2CO2(汽)+3H2O(液)。
反应中产生的水在高温作用下迅速汽化,水蒸气上升增加了烧杯周围空气的绝对湿度,这样增加的水汽是大量的。而加热初期的烧杯内的水温还较低(深秋的水),且不均匀,上层温度低,下层温度较高,所以,烧杯外壁周围(特别是上部分)的水汽已经达到了饱和状态,因此也在烧杯的外壁凝结成水珠,所以,它也是露。我们是不是可以下这样一个结论:只要是从空气中凝结出来的水珠都是露。如果准确地测量出露出现时的外壁温度,这个方法还可以用来测量露点。
萘的熔解实验
(1)关于课文“把试管(指装有萘粉的试管)放在盛有热水的烧杯里,用酒精灯给烧杯缓缓加热,同时用搅动器搅动萘粉。”在这段叙述中的最后一句提到用搅动器搅动萘粉,至于用什么样的搅动器,课本上没有说明,装置图上也没有画出,我认为这里的搅动器可以用细玻璃棒,但由于试管直径有限,即放温度计又放搅动器有困难,假如用温度计兼作搅动器也是可以的,当然实验要小心,用力不能过猛,以免损坏温度计。
(2)关于课文“观察温度计的示数,等萘的温度升到50℃左右,开始每隔一分钟或两分钟记录一次萘的温度。”按课文要求从50℃开始读数,实验时间太长,记录的数据太多,而65℃以前的读数对实验并不重要。据此,我觉得将50℃开始读数改为65℃为好。读取温度计读数的时间间隔应为一分钟,不宜太长,以便及时观察萘的温度变化,使实验结果更接近实际情况。
(3)课本中没有说明萘和水的用量。江苏如皋县东陈中学陈松山老师介绍在多次实验的基础上是这样向学生交代的:萘的用量以5~10克,盛水的烧杯以400ml~500ml,水量以350ml~450ml为宜。并说明理由,若萘粉数量过少,水量太小,会使萘粉温度升高太快,给温度计示数的读取带来困难,从图像上也难以看出萘的熔解特点(此时应讲一下注意控制酒精灯的火焰大小,太大,供热太快;太小,实验时间过长,甚至萘粉不能熔解)。