在烧杯里注入约60毫升50℃的温水,浸没管内的萘即可。点燃酒精灯,每隔1分钟观察温度计读数。多次观察表明,在萘的熔解过程,固态由上而下逐层熔解为液态。这是过去做该实验所未能观察到的。萘温(熔点)可以持续约3分钟。观察熔解和凝固的全过程只需15分钟左右。
实验数据,记录三次。
①萘3克,热水63毫升,针不跟烧杯底部接触(图15甲曲线所示)。
时间(分)0123456789101112131415萘温度℃656871747678798080808480808078②萘3克,热水55毫升,针不跟烧杯底部接触(图15乙曲线所示)。
时间(分)0123456789101112131415萘温度℃59636771747778798080808580808078③萘3克,热水55毫升,针跟烧杯底部接触(图15丙曲线所示)。
时间(分)0123456789101112131415萘温度℃52586468727678798080808680808078实验仪器改进的评价
(1)效果显着能使萘受热均匀,熔点持续时间长,不受外部水温等因素的影响。同时,萘从固态熔解为液态,液态凝固为固态,更能反映物态变化的规律。
(2)操作简便造价低廉省去了搅拌器,简化了操作手续。实验时间短,使学生更能集中注意力观察物态变化的过程。可以利用实验的废试管制作,各种器材不论在城市或者乡镇都可以方便取得。
(3)减轻实验教师的工作量过去学校为做该实验时都要准备多套试管,本仪器可以连续使用,不需要清洗玻璃管。
(4)实验环境卫生,有利师生身体由于萘处于密封状态,不论演示实验或者学生实验则室内都无萘挥发的气味。
总之,改进的仪器能使实验取得的效果令人满意。
晶体熔化实验的改进
晶体熔化实验是初中物理中的一个重要实验,但是很多教师反映,按课本上的要求做时很难成功。其具体表现是:温度计示数未达到熔点时晶体已开始熔化,并且在晶体熔化的过程中温度计的示数仍在缓慢上升,即使采用搅拌的方法也很难使温度稳定在熔点。
晶体熔化实验为什么难以成功呢?陕西省户县大王初级中学李参军老师认为,问题的实质在于实验所选取的晶体样品欠妥。我们知道,课本中所选的晶体是海波,海波是热的不良导体,因此,在熔化过程中,当靠近试管壁的晶体温度达到熔点并开始熔化为液体时,试管中央的晶体并未达到熔点。如果温度计是放在试管中央,它的示数就达不到熔点。如果我们使温度计靠近(但不接触)试管壁,当熔化过程开始后,液体海波通过对流能很快地吸收管外热量,而固体的海波却只能通过传导缓慢地吸热,这就导致液体海波吸收的热量大于放出的热量,从而使它们的温度上升,使我们看到的温度计的示数不断上升,无法稳定在熔点。
从上面的分析可以看出,要顺利完成晶体熔化实验,必须选用导热性好的晶体作样品。我们知道,金属的导热性较好,但一般的金属导热性虽好却具有很高的熔点,不能被用来作样品。如果我们选择导热性好,且具有低熔点的合金作样品,这个实验就可以很顺利地完成。
锑铅合金(即保险丝)的熔点在80℃左右,且导热性能好,是一个较好的选择。用锑铅合金做晶体熔化实验,方法与教科书中用海波晶体做熔化实验相同。实验前先用小刀将纯度较高的保险丝刮成粉末状的锑铅合金粉,实验时将锑铅合金粉放在试管中压实(压不实效果不佳)。
合金导热性能好,加热时不用搅拌,熔化过程中温度计示数能基本保持恒定。如果不想用刀刮保险丝成粉末状锑铅合金,还可在实验前先将保险丝熔化于试管中,再插入温度计,然后使其降温凝固。用熔凝后的锑铅合金做晶体的熔化实验,效果会更好。另外,该实验中熔化过程时间的长短还可以通过调整加热温度来控制。实验后要清除试管中的合金晶体也很容易,因为合金的密度大于水,所以只要将试管倒置于盛沸水的烧杯中加热,合金就会自然而然地流到烧杯底部铺的硬板上,待冷却后很容易被清理掉。
一个简单而有趣的热学实验
在一定压强下,液体的实际结晶温度必然或多或少低于其平衡结晶温度。也就是说,液体降温到熔点时并不立即凝固,而必须降温到或多或少低于熔点时才能进行结晶过程。温度低于熔点(即凝固点)的液体称为过冷液体。例如,很纯的水可以过冷到-40℃才结冰;锑的熔点为631℃,而锑熔液要过冷到590℃才开始结晶;镓的熔点是2975℃(略高于室温),它静止时可以在低于熔点5℃~15℃的情况下保持液态一年以上。
用硫代硫酸钠(又名大苏打、海波)晶体来演示过冷现象较为简便。把盛有硫代硫酸钠晶体的中号试管插入一杯温度为80℃~90℃的水中时,可以观察到大苏打晶体渐渐熔化,从插入试管中的温度计读得其熔点为48℃。
当大苏打全部熔解完毕,温度可升至60℃~65℃,接着把试管插入冷水中冷却。这时可以观察到温度不断降低,直至凝固点以下很多度,而硫代硫酸钠仍保持液态,即进入过冷态。待温度下降至室温(如20℃~25℃)时,将试管从冷水中抽出,然后往试管中放几小粒事先准备好的大苏打晶粒作为晶核,可观察到晶粒边下沉边生长,生长速度很快,刚抛下时米粒大的晶粒沉到试管底时已变成绿豆那么大,并继续生长。不一会儿,全部硫代硫酸钠熔液都结晶了。
在结晶过程中温度几乎一下子升到48℃,即它的凝固点。温度之所以上升是因为结晶过程中放出了在溶解过程中所吸收的潜热。
晶体熔化实验的一种新设计
关于晶体的熔化实验,各种方案都以萘或海波为实验材料,但由于用这两种晶体做实验时加热、测温技术要求过高,耗时过长,实验成功率低。庆阳师专物理系张之麒、甘肃西峰董秀成老师提供了一种用冰作为实验材料的新的设计方案。
设计方案及实验方法
(1)冰的保存冰的制备可用电冰箱。用冰做晶体熔化实验之所以未被推广,原因之一就是冰的保存这一技术难题没有得到解决。难点有三:第一,制好的冰如何在室温下送到教室并保存到使用时间而不熔化;第二,怎样将温度计的测温泡置于冰块中测温;第三,若将冰块粉碎成小冰粒而插入温度计测温,测出的最低温度往往只有0℃,难以做出固态冰的升温现象。
为了攻克这一技术难题,本方案设计了一个既能保存冰,又能使冰的温度达到零下十几摄氏度的“冷库”,制作方法如下:取普通保温瓶一只,碎冰粒400g左右,食盐150g左右,混合后装入保温瓶(冰盐量可多可少,视需要而定,冰盐比一般为3∶1),待食盐溶解成盐水后,冰盐混合物的温度即可达到-20℃左右,这个装有冰盐混合物的保温瓶就成为一个理想的“冷库”,其低温环境可保持几十个小时。
(2)实验的准备取冰10g,砸成小冰粒,装入试管,给试管加封插有温度计(-20℃~10℃)的橡皮塞;调节温度计,使测温泡置于冰粒中部,选好测温点;将安装好的试管存于“冷库”
中,并使试管浸于冰盐混合物中,数分钟后,待试管内冰粒冻结、温度降至零下十几摄氏度后,即可连同“冷库”一起提到教室或实验室待用。
冰的熔化图像
(3)实验方法从“冷库”中取出安装好的试管,用手握住试管底部加热,待冰的温度升至-10℃后,每隔半分钟观察一次状态并读取温度数值(此时可将手移开),读到20℃左右为止。为了控制实验时间,在熔化过程中,当熔点温度保持6分钟后,可改用50℃左右的温水加热(如图16)。
实验结果
采用上述实验条件和方法得出的结果如下:
时间/min005115225335445温度/℃-10-4-2-1000000时间/min555665775885995温度/℃000000051323优缺点分析
此实验方案有如下优点:(1)操作简便,不需要酒精灯加热;可避免局部受热现象,所测温度数据可靠。(2)现象及熔化特征明显,熔点温度可保持七八分钟以上。而用萘或海波往往只保持一二分钟便开始升温。(3)成功率高。只要严格按方案操作,成功率可达100%。(4)实验时间短,且易于控制,整个熔化过程可在10分钟内完成。(5)直观性好。由于设备简单,演示过程中教师可手持装置送到学生面前,让其观察状态和读取温度。缺点是:此方案只适用于做冰的熔化实验,而用做冰的凝固实验时由于物质状态和温度难以观测,尚待进一步探讨。
碘的升华和凝华实验的改进(一)
在做碘的升华和凝华实验时,如果按教材所介绍的方法演示,往往会出现以下几种情况:
(1)由于用酒精灯加热,极容易超过碘的熔点(114℃)而使碘熔化,导致升华现象实验的失败。
(2)用酒精灯加热,不便在课堂上走动操作演示,学生可见度小。
太仑职业高级中学周丽芬老师对此实验作了一点改进,具体做法是:将半角匙固态碘放入一只干燥的中号烧杯内,在杯上盖一块玻璃板,在玻璃上面放一块用酒精浸湿的纱布;然后另外取一只大号烧杯盛1/4左右的沸水,随即将中号烧杯放入大号烧杯中,这时可见到中号烧杯中的碘很快会产生紫色气体,且越来越浓;此时,教师可一手拿着大号烧杯的上沿部位走下讲台,在教室内走动让全体学生观察固态碘产生升华的现象,由于玻璃板上盖着浸了酒精的纱布,又有利于碘的凝华,走动一圈后,掀开玻璃板,可见到上面有很多细小的金属光泽的碘粒。改进后整个实验时间短,操作简便,实验效果和教学效果明显。
碘的升华和凝华实验的改进(二)
碘的三相图分析
碘的三相图:
从碘的三相图17可以看出,碘的三相点为11415℃119×104Pa。很显然只要创造条件,使碘的蒸气压不超过119×104Pa,碘受热后就可以不经过液体碘转变为气态的碘。
实验的缺陷山东五莲县教研室王岩老师分析该实验所做的碘的升华和凝华实验是密闭容器中进行的,碘的升华和凝华的环境压强非常低,温度升高环境的压强要增大,使环境压强大于常压。碘受热只有少量气化(由ρV=MμRT可算出,即使在119×104Pa时,100ml的容器也只有009克碘气化),又加之碘蒸气的密度远远大于空气的密度,碘蒸气很难向四周,特别是向上方扩散,易形成固气平衡,使气化速度慢,实验需要时间长。碘的凝华,由于仪器的上下两端的温度差不大,碘蒸气少,碘蒸气的密度大,扩散慢,结晶慢,易在整个灯泡内壁结细晶,形成朦朦胧胧的一层,而使现象不明显。
实验的改进从碘的相图分析,碘受热时,碘的蒸气压不超过119×104Pa,就可以不经液体转变为气体,这是此实验成败的关键,此实验采取以下措施:
(1)受热器为敞口容器,使形成的碘蒸气与冷空气对流,上升的气流带动碘蒸气的上升,防止局部平衡。
(2)在受热器的上方放上冷却容器,加大上下的温度差,加大碘蒸气的扩散速度,使碘蒸气迅速上升到受热器的上端,在冷却容器底部冷凝,结晶为晶体。
此实验的优点碘的升华和凝华同时完成,此实验所需时间短,避免液态碘出现,现象明显。
封闭、低温型碘的升华和凝华演示器
常见的碘升华和凝华演示实验,存在两个缺点:一是不能防止有毒的碘蒸气在教室内扩散;二是加热时往往会出现液态碘。为了弥补上述的缺陷,吉林前郭县蒙中王爱生老师利用图18所示的装置,对该实验进行了低温(相对酒精灯火焰)、封闭型的改进,经多位教师的演示,效果较好,现介绍如下。
具体方法是:把注射器通过胶管与胶塞上的玻璃管连接好,将2克左右的碘放入干燥的圆底烧瓶里,并用胶塞把烧瓶口塞紧成为封闭的,这样就组装好了封闭、低温型的演示器。
演示时,把盛有碘的该演示器的烧瓶放在沸水表面上,很快就看到烧瓶中的碘升华成紫色碘蒸气的同时,注射器的活塞向外移动。片刻后将充满紫色的碘蒸气的烧瓶从沸水中取出,将会看到:烧瓶底部的碘仍是固体;碘蒸气在空气中冷却后,在烧瓶壁上凝华成针状的有光泽的黑色固体。