对“观察水的沸腾”实验的几点新思考

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  “观察水的沸腾”实验是九年义务教育初中物理教材 (苏科版)八年级上册第二章物态变化第二节汽化和液化中的学生实验,实验过程中要观察水的沸腾现象,做好时间、温度的记录,并能根据记录的数据,作出水的沸腾图像,找出水的沸腾温度.按照课本器材安装实验装置进行实验,多次实验探究发现,实验过程中存在着一些问题.
  1学生实验安全意识淡薄,实验过程中易发生安全事故
  “观察水的沸腾”是初中物理中学生第一次走进实验室进行的实验,由于学生的兴趣较高,每个人都迫不及待的想进行实验,虽然老师在课前已经对实验的操作步骤和安全注意方面进行了讲解,但是由于学生的认识不够、操作也不够熟练,再加上实验本身危险性就比较大,所以实验过程中经常会出现学生打坏玻璃器皿和被开水烫伤的现象,存在着一些安全事故.
  2实验装置安装困难,铁圈的位置不易把握
  实验安装装置时,要先确定铁圈的位置,才好继续安装下去.而安装铁圈时又是根据实验时利用酒精灯外焰对烧杯加热而确定的,但由于事实上学生对酒精灯的外焰缺乏相对的认识和实际的经验,学生在安装铁圈时只能确定一个大致的位置,往往导致实验时不是用酒精灯的外焰对烧杯下的石棉网加热,导致实验时间过长,而影响实验的成功.
  3实验时间过长,实验易走向失败
  3.1加热的热源火力不够大
  学生实验中通常采用的是酒精灯作为热源,而酒精灯所提供的热量往往有限,而换用大热源,如将酒精灯换成酒精喷灯,对于大多数城乡初中又是不现实的.而实验中学生所分得的酒精灯又是有差异的,加热时,有的火力大,有的火力小,导致整个实验耗时过长.
  3.2容器的选择和注入的水量不够理想
  做实验时,用大烧杯,注入的水量过多,加热的实验太久,且不易观察到气泡变大的现象;用试管,注入水量少,虽然水沸腾快,气泡变化也明显,但有三点不足:一是测得水的沸点与常压下水的沸点相差较大;二是有沸腾时升温的现象,无法得出“沸腾过程中温度不变”;三是由于试管散热慢,当加热时间稍长,水中空气排尽时,容易发生“暴沸”——轻则溅湿酒精灯,重则伤人,显然不太安全.
  3.3水的散热较快,热量的损失较大
  由于选择烧杯做实验,而烧杯的口径相对较大,实验过程中水的散热较快,热量的损失比较大,导致实验需加热很长时间水才能沸腾.
  4实验现象不明显,尤其是水沸腾前后的声音变化不大
  4.1气泡不明显
  沸腾前只有少量的气泡,上升时气泡变小不明显;沸腾时产生的气泡也不多,上升过程中变大的现象也不够明显.实验时为了要缩短实验时间而往往选用烧沸过的水.而这样的水质,由于已经烧开过一次,汽化核较少,在加热至沸腾以前,几乎没有气泡;逐渐升温到沸点时能产生气泡,但沸腾现象很不明显.
  4.2水沸腾前后的声音变化不大
  由于学生们第一次做物理实验,兴趣较高,实验过程中多多少少会有些声音,再加上烧杯不易太大,导致实验过程中水沸腾前和沸腾时声音的响度区别不大,不易观察到现象.
  4.3水沸腾时有时会有“过热”现象
  水沸腾时一旦“过热”,温度将持续上升,影响实验效果.
  5水沸腾时温度的读数差异较大
  安装实验装置时,对于温度计的悬挂,绝大部分学生认为只要将温度计的玻璃泡完全浸没于水中即可,而事实上温度计的玻璃泡浸入水中的深度却对测量结果有着很大的影响.水沸腾时,把温度计的玻璃泡放在水的中下层要比放在水的上层测得的温度要高2 ℃~4 ℃.在实验中学生很少注意到这个问题,总是在先前经验和教材插图的影响下,习惯性地将温度计的玻璃泡放在水的中层或中下层.由于各实验小组的温度计玻璃泡浸入深度不完全相同,导致最终测量结果又存在着差异.
  6对“观察水的沸腾”实验的几点新思考
  6.1强化学生安全意识,采取相应安全措施
  (1)学生实验前,应耐心细心的讲解实验过程中应注意的安全问题,以及发生安全事故后相应的解决措施,如酒精灯的酒精不小心洒到桌面上引起着火应用湿抹布或沙子盖灭等.
  (2)介绍实验器材及作用并认真讲解实验步骤,让学生熟悉整个实验流程,避免学生在实验时手忙脚乱,造成安全事故和仪器损坏.
  (3)在试验过程中经常有学生手被烫伤,为安全起见,可给每一位学生发一副棉手套,以避免实验过程中手被烫伤.
  6.2控制好铁圈高度,安装好实验装置
  先点燃酒精灯,将酒精灯放在铁架台底座上,然后在铁圈上放上石棉网,最后调节铁圈高度,确保是酒精灯的外焰对着石棉网进行加热.铁圈高度调节好之后必须熄灭酒精灯,一是为了避免后续安装时烫伤人,二是为了避免放上空烧杯后由于局部受热而导致烧杯破裂.实验装置安装完之后进行实验时,如果发现铁圈位置偏高,还可在酒精灯下垫上书以提高酒精灯的高度,确保用外焰加热.
  6.3缩短实验时间
  (1)加大实验时热源的火力
  虽然用“酒精灯加石棉网”加热不是最佳热源,但出于设备条件和安全性考虑,仍不得已而为之.加大酒精灯火力的措施有:将长期放置的酒精倒掉并拧干灯芯,然后换上纯度较高的新鲜酒精;灯芯粗一些,并让露出的部分长一些;在灯芯中可加入一根金属丝,且下端绕几圈置入酒精内,这样可以加快酒精的挥发.
  (2)选择合适的烧杯和注入适当的水量
  选用50 mL的小烧杯做实验,盛水30 mL左右,大概9 min可使水沸腾,15 min可完成实验,且实验过程中能清晰地观察到气泡变化的现象,是比较理想的选择.
  (3)在烧杯上巧盖硬纸板,减少热量损失
  在烧杯上加盖硬纸板比加软纸板,更能减少水的散热和热量的损失从而减少加热时间,但缺点是会增大烧杯中的气压,使水的沸点比常压时高一些,且有沸腾时升温的现象.可使用以下技巧:开始加热时,纸板盖住烧杯口;当水温升至96 ℃左右时,将纸板上移,既不封住杯口,又能阻挡蒸气在温度计玻璃棒上液化.
  6.4改进实验装置,增大实验现象
  (1)选择有较多汽化核的水,并控制水的初温在90 ℃左右
  实验前提前准备一壶未煮沸过的水放在实验室进行加热,加热至90 ℃左右后,让实验小组派组员用50 mL的小烧杯来取30 mL左右的水进行实验.实验时可在烧杯中放入陶瓷片,陶瓷片可取材于碗碟的碎片,这样可使水长时间产生气泡.
  (2)利用烧开水的电水壶辅助实验,实验时声音响度变化较大
  实验前先预备一电水壶在讲台前烧开水,让学生留意水沸腾前和水沸腾时声音响度的变化,以弥补学生实验的不足,从而得出“响水不开,开水不响”的结论.
  (3)放入陶瓷片也可解决水“过热”的问题
  6.5选用同规格、同精度的温度计,并控制玻璃泡进入水中的深度为刚好浸没
  选用同规格、同精度的温度计,才可能得到相同的测量结果;在相同的气压下,只有各小组测得水的沸点相同时,实验才有说服力.而要想准确的表征水在当时气压下的沸点,只有将温度计的玻璃泡刚好浸没于水面下时,测得的温度方为当时气压下的沸点.
  综合上述分析,经过多次实验实践,改进后的实验,安全性提高,实验时间变短,实验现象也较明显.虽然这些改进只是微小的创新,但不容忽视,因为改进后的沸腾实验变得更加成功.可见,在今后的实验教学中只有我们不断反思,进行改进和创新,才会取得理想的实验教学效果.
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