奇妙的“水上升”趣味實驗探究

張一馳　仲偉康　陳　晨

(1. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇　南京　210097；

2. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京　100875)

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·實驗研究·

奇妙的“水上升”趣味實驗探究

張一馳1仲偉康2陳晨1

(1. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇南京210097；

2. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京100875)

摘要：本文介紹了一個有趣的物理現(xiàn)象——“水上升”，通過觀察并設(shè)計系列實驗解釋現(xiàn)象，探究相關(guān)因素對其的影響，并給出可能的理論解釋.本文以高中熱學(xué)為基礎(chǔ)，以實驗探究為主要方法，結(jié)合定性分析進(jìn)行探究，為教師在進(jìn)行相關(guān)知識教學(xué)的同時提供豐富的實驗素材，同時也對學(xué)生提升自己的物理實驗技能和自主探究能力提供參考和借鑒.

關(guān)鍵詞：水上升；趣味實驗；實驗探究

1引言

“水上升實驗”取自2013年國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(IYPT——International Youth Physics Tournament)，現(xiàn)象奇妙且取材簡單，極具趣味性和探究性，非常適合中學(xué)生課外探究.在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時，培養(yǎng)他們的物理核心素養(yǎng).

2現(xiàn)象描述

賽題是這樣描述的：在盛水的碟子中間垂直放置一根蠟燭，點燃蠟燭，然后罩上一個透明的燒杯，一段時間后，碟子中的水面的高度會發(fā)生變化.筆者按照賽題的要求進(jìn)行實驗，重點觀察內(nèi)液面，依次看到的現(xiàn)象如表1.

表1　實驗現(xiàn)象

通過實驗發(fā)現(xiàn)：在實驗過程中內(nèi)液面有下降和升高過程，而且其升降速度不一，最終高于外液面.

3影響因素的理論分析和實驗探究

筆者將影響整個實驗過程的因素分為兩大部分：

(1) 氣體化學(xué)反應(yīng)因素：表現(xiàn)為諸如二氧化碳、氧氣、水蒸氣、少量一氧化碳的產(chǎn)生和二氧化碳等氣體的吸收等，最終導(dǎo)致內(nèi)外氣壓不同.

(2) 熱力學(xué)因素：主要為由氣體溫度T變化導(dǎo)致的氣體壓強P、體積V的變化.

3.1　化學(xué)反應(yīng)因素的探究

3.1.1實驗設(shè)計

針對化學(xué)反應(yīng)因素的影響，筆者設(shè)計了封閉實驗.罩上一個透明的燒杯，然后用激光器來加熱帶火柴頭的蠟燭最終達(dá)到燃燒效果.

3.1.2實驗器材

封閉倒置的瓶子、激光器、蠟燭.

3.1.3實驗分析

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)點燃瞬間液面有晃動，但最終內(nèi)外液面高度基本無變化，呈持平狀態(tài).點燃瞬間因為溫度上升過快導(dǎo)致氣壓變化較大，使得液體有一定振動.隨后會發(fā)生一系列氣體化學(xué)變化，諸如二氧化碳、氧氣、水蒸氣、少量一氧化碳的產(chǎn)生和二氧化碳等氣體的吸收等，但影響極小，使得最終內(nèi)外液面高度基本無變化，呈持平狀態(tài).

通過進(jìn)一步文獻(xiàn)閱讀發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有研究人員做了同樣的實驗證明了以上的結(jié)果.其實驗機理為用鎳鉻合金絲制作的人工燈芯，對其通電，使其加熱，當(dāng)熱達(dá)到蠟燭燃點時，蠟燭被點燃，實驗和結(jié)果如圖1和圖2所示.

3.1.4實驗結(jié)論

內(nèi)部氣體化學(xué)反應(yīng)對最后內(nèi)液面升高的影響極其小，幾乎可以忽略，且該結(jié)論在正?？諝馇闆r下具有普適性.

3.2　熱力學(xué)因素的探究

3.2.1剛罩上燒杯內(nèi)液面下降的討論

剛罩上燒杯，內(nèi)液面下降，意味著燒杯內(nèi)的壓強在增大，將液面下壓.筆者采用兩種假設(shè)來解釋.

假設(shè)一：在沒有蠟燭燃燒的情況下，將燒杯倒扣在水槽中，水面也會發(fā)生下降的情況.

假設(shè)二：蠟燭沒有熄滅，一直在加熱空氣，使得瓶內(nèi)壓強增大.

對于假設(shè)一，實驗結(jié)果證明了猜想的正確.而對于假設(shè)二則認(rèn)為蠟燭沒有熄滅，一直在加熱空氣，溫度升高，壓強上升.但根據(jù)這種猜想結(jié)果應(yīng)該為：一開始水面就下降，并且在蠟燭熄滅以前一直都是下降.而實際情況為：水面先下降，且在蠟燭熄滅之前，水面就開始有所上升.

原因猜測：罩上燒杯后，熱空氣膨脹上升，當(dāng)它上升遇到杯壁以及杯子頂部，遇冷時，溫度下降，壓強下降.一開始，上升遇冷的空氣量較少，增加的壓強大于減少的，總體表現(xiàn)出杯內(nèi)壓強增加，水面下降.

3.2.2罩上燒杯后的情況討論

罩上燒杯后分為三個階段，具體如下：

階段一：罩上之后一段時間，液面緩慢上升.這個階段與3.2.1中的假設(shè)二相悖，但筆者提出了一種解決的猜想，那么這個猜想是否正確？筆者設(shè)計了一個簡單的實驗即熱杯實驗來驗證，實驗的對照如下.

常規(guī)組：不對燒杯進(jìn)行任何處理.

實驗組：蓋上燒杯前將其用100℃熱水預(yù)熱，這樣空氣受熱膨脹上升之后遇到玻璃也是熱的.

實驗數(shù)據(jù)如表2.

表2　熱杯實驗數(shù)據(jù)

通過熱杯實驗的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，熄滅時間更短，且火焰減弱前內(nèi)液面基本不上升，這點驗證了我們的猜想.有趣的現(xiàn)象是，對照組往往快速熄滅并且液面瞬間上升，且最終高度反而更高.

階段二：在蠟燭熄滅的瞬間水面快速上升

這個過程相對容易理解，熄滅瞬間熱源消失，溫度大幅度降低，根據(jù)理想氣體狀態(tài)，方程可以得出結(jié)論：在這個時候，壓強也大幅度降低，導(dǎo)致水面迅速上升.

階段三：蠟燭熄滅后水面繼續(xù)緩慢上升

隨后的過程中，燒杯內(nèi)的溫度逐漸降低恢復(fù)到室溫.壓強也就逐漸在減小.這個過程是逐漸且連續(xù)的，所以水在這個階段的上升較熄滅瞬間是緩慢的.至此，我們定性解釋了內(nèi)液面的上升、降低及其快慢的問題.

3.2.3最終狀態(tài)的分析和解釋

以上的分析雖然定性解釋了內(nèi)液面的上升、降低及其快慢的問題.卻還不足以說明此時內(nèi)液面會高于外液面.

比較筆者的實驗和之前的封閉實驗或者人工燈芯實驗，操作上最大的不同就是，人工燈芯實驗是在蠟燭點燃之前就把量筒放置好了.

由此可見，放下燒杯時對最后內(nèi)液面上升具有決定性的影響.隨著氧氣的消耗，產(chǎn)生的二氧化碳溶于水，產(chǎn)生的水蒸氣冷凝，導(dǎo)致最終瓶內(nèi)壓強減小.該部分已被證明屬于次要因素.也就是說，扣下燒杯時，空氣加熱膨脹，將大量空氣分子擠出瓶內(nèi)，當(dāng)冷卻后瓶內(nèi)壓強減小，該原因應(yīng)該是主要因素.

探究一：蠟燭數(shù)量的變化對實驗的影響，實驗結(jié)果如表3、圖3.

表3　蠟燭數(shù)量對實驗影響

圖3　蠟燭數(shù)量對實驗影響

實驗表明：蠟燭越多，內(nèi)液面升高越多.蠟燭數(shù)量最大影響了熱源強度，可以認(rèn)為公式中Δt增大，增強了熱對流，從而使得內(nèi)液面上升高度增大，符合預(yù)期.

探究二：蠟燭高低對實驗的影響,實驗結(jié)果如表4、圖4.

表4　蠟燭高度對實驗影響

圖4　蠟燭高度對實驗影響

實驗表明：蠟燭高度越高，水面上升得越少.蠟燭高度最大影響了熱源與杯口處的距離，該實驗同樣可以論證Δt增大，使得內(nèi)液面上升高度增大，符合預(yù)期.

探究三：燒杯的容積對實驗的影響，實驗結(jié)果如表5、圖5.

表5　燒杯容積對實驗影響

圖5　燒杯容積對實驗影響

實驗表明：容積越大，內(nèi)液面上升高度越高，水上升的體積也就越大.杯子的體積影響了熱源與杯口處的熱對流的半徑，隨著內(nèi)徑D的增大，使得內(nèi)液面上升高度增大，上升體積增大，同樣符合預(yù)期.

3.3　實驗結(jié)論

(1) 內(nèi)液面先下降過程：燒杯蓋下，液體占據(jù)一定體積，體積減小，壓強增加；蠟燭加熱空氣增加的壓強大于空氣遇冷減小的壓強，總的來說杯內(nèi)壓強增加.

(2) 內(nèi)液面上升：加熱的空氣增加的壓強小于遇冷減小的壓強，總的來說杯內(nèi)壓強減??；蠟燭熄滅時水面上升速度快：溫度大幅度降低，壓強也大幅度降低；蠟燭熄滅后水面穩(wěn)步上升：溫度逐漸降回室溫，液面逐漸升高.

(3) 內(nèi)液面最終高于外液面：蓋下燒杯時，杯內(nèi)空氣加熱膨脹，此時杯內(nèi)的空氣的壓強小于同溫度下原來杯內(nèi)的氣體壓強.

4小結(jié)

在整個探究過程中，筆者立足高中物理的基本知識，基于以實驗探究和定性分析相結(jié)合的模式，涉及少量的定量分析，且實驗結(jié)果與理論預(yù)期基本一致，從而很好地揭示了實驗現(xiàn)象的本質(zhì).

參考文獻(xiàn)：

[1] Francisco Vera, Rodrigo Rivera, César Núez. Burning a candle in a vessel, a simple experiment with a long history. Sci & Educ 20, 881-893 (2011) .

[2] 秦允豪.熱學(xué) [M] .北京：高等教育出版社，2002.