对一个演示实验方案的改进

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  由人民教育出版社出版的八年级物理教材(上册),在研究温度计的原理时,设计了一个演示实验:(详见义务教育课程标准实验教科书,八年级物理上册,P76演示 自制温度计)。这个实验方案的合理性很值得商讨。
  演示 自制温度计 在小瓶里装一些带颜色的水,配一个橡皮塞,橡皮塞上插进一根一端封闭的细玻璃管,把细玻璃管封闭的一端加热,使玻璃管内的空气跑出一部分,迅速用橡皮塞塞住瓶口。
  将小瓶放入热水里,观察细玻璃管中水柱的位置,然后再把小瓶放入冷水里,观察水柱的位置。(义务教育课程标准实验教科书,八年级物理上册,P76演示 自制温度计)如图
  
  我严格按照实验方案操作,发现该实验方案存在安全隐患和不切合实际的因素。现分析如下:
  首先:选择一端封闭的玻璃管,在实验的过程中存在安全隐患。我们对玻璃管加热,玻璃管内的空气要跑掉一部分,玻璃管内的空气变得稀薄一些,但是玻璃管内仍然存在大量的空气。然后我们用橡皮塞塞住瓶口,当玻璃管内的温度降到和外界气温相同的时候,在玻璃管内就会形成一段水柱,同时玻璃管内也密封了一定的空气。当我们将小瓶放在热水中,小瓶内的水受热膨胀,使玻璃管内的水柱变长,必将导致玻璃管内密封的气体体积变小,压强增大,从而导致玻璃管因无法承受较大的压强而爆炸。严重威胁师生的人身安全。
  其次:我们如果选择一个一端封闭的玻璃管,对封闭的一端加热,玻璃管开口的一端溢出的空气是不多的。当我们把小瓶放在热水里,瓶内的水发生热胀冷缩而进入玻璃管形成水柱的时候,所形成的水柱的长度一定会受到管内残留空气的影响。根据气体的性质我们知道:在质量一定的情况下,体积越小,压强越大;所以随着瓶内的水逐渐进入玻璃管,必将导致玻璃管内空气体积变小,气压增大。这样,在温度较低的情况下,玻璃管内的气压小,小瓶温度每升高1摄氏度,玻璃管内增加的水柱应该较长;温度高的时候,由于玻璃管内的水柱较长,玻璃管内空气体积变小,气压增大,小瓶温度每升高1摄氏度,玻璃管内增加的水柱应该较短。按照这样的原理制成的温度计,刻度应该是不均匀的;而实际使用的温度计是均匀的。因此选择一端封闭的玻璃管探究温度计的原理是不合实际的。
  改进方法:选择两端都开口的玻璃管探究温度计的原理更合适。选择两端都开口的玻璃管探究温度计的原理,液柱和小瓶都要受大气压,液柱和小瓶受的大气压相互抵消。所以水柱的长度变化完全由温度变化控制,和实际温度计的效果完全一样。
  同时,改进后的实验方案还可以方便的使用该自制温度计学习摄氏温度:将小瓶放在冰水混合物中足够长的时间,记住水柱的位置并规定该处代表的温度为0摄氏度。然后把小瓶置于沸水中足够长的时间,记下水柱的位置,并规定该处代表的温度为100摄氏度。由于在这种情况下水柱变化的长度是由温度决定的,因此水柱的变化长度跟温度成正比。所以我们就可以把两个刻度之间的水柱100等分,每一等分代表的就是1摄氏度。这样就可以达到将抽象的摄氏温度概念转化为形象直观的平分水柱的目的。
  因此,无论从安全角度还是从符合实际情况的角度考虑,在探究温度计原理的时候,选择两端开口的玻璃管比选择一端开口的玻璃管要合适得多。
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