探究液體的沸點與大氣壓強的關(guān)系

秦婉

一、問題的提出

沸點與壓強這兩個物理概念，對于學(xué)習(xí)物理的學(xué)生來說一定不陌生，它們分別出現(xiàn)在人民教育出版社八年級物理的上下冊中。其中，在人教版八年級上冊第三章第3節(jié)汽化和液化這部分知識中，學(xué)生認(rèn)識到了沸點，即各液體沸騰時都有確定的溫度，我們稱之為沸點。而大氣壓強的學(xué)習(xí)始于八年級下冊第九章第3節(jié)。那么，液體的沸點與大氣壓強由怎樣的關(guān)系呢？在課本第3節(jié)的最后，編者以一張高原邊防哨所戰(zhàn)士用壓力鍋煮面條的圖片以及簡潔文字語言，直接告知學(xué)生同一液體的沸點在不同氣壓下的溫度值。那么對于剛接觸物理的學(xué)生而言，很抽象，完全是當(dāng)做一種結(jié)論或者概念死記硬背下來的。然而這種硬記下來的知識，部分同學(xué)會遺忘，部分同學(xué)會出現(xiàn)記憶混淆，難以擲地有聲的說出沸點隨壓強的增大而增大的關(guān)系。

二、實驗

針對以上的問題，同時也是為了提高教學(xué)效果，很多老師也設(shè)計了一些實驗。例如，借用在八年級上冊物理教材開篇“有趣有用的物理”中第一個演示實驗就是“澆涼水法”演示液體沸點與壓強的關(guān)系。這是一種較為簡單、方便的方法。此法就是用涼水澆在裝有接近100℃水并用瓶塞密封的燒瓶外表，使之立即降溫而導(dǎo)致瓶內(nèi)氣壓下降，從而使瓶內(nèi)的水沸騰。這種方法，我們在實驗室也親自操作過。我們將盛有約占2/3體積的水的燒瓶放在墊有石棉網(wǎng)的鐵架臺上，下面用酒精燈加熱。待水沸騰之后，將燒瓶離火，我們看到水會停止沸騰，迅速塞上瓶塞，用坩堝鉗夾住燒瓶的瓶頸處，然后將 燒瓶倒置在實驗室水槽上方，迅速打開水龍頭，讓涼水從燒瓶上面澆下，我們看到原來已經(jīng)停止沸騰的水又從新開始沸騰了。這種方法已為被很多老師所熟知。此法雖簡單易行，但是也存在一些問題，實驗時必須用剛停止沸騰的開水，因而課堂上必須使用爐具即時加熱，這一過程要注意操作安全；加熱的過程需要一段時間，在物理課時如此緊張的條件下，這也成了一個必要考慮的因素；同時，操作過程要迅速，以免散熱太快，實驗現(xiàn)象不明顯。

通過降低燒瓶本身的溫度可以減小瓶內(nèi)的壓強，我們也可以直接減小瓶內(nèi)的壓強，來觀察沸點與壓強的關(guān)系。在實驗室中，我們在上一個實驗的基礎(chǔ)上，將燒瓶中沸騰的水迅速倒入廣口瓶中，塞緊帶有溫度計和玻璃小管的橡膠塞，將玻璃管通過橡膠軟管與微型臺式真空泵相連接，開始對瓶內(nèi)抽真空。理論上講，瓶內(nèi)的壓強降低，那么我們是可以看到水再次沸騰的實驗現(xiàn)象的。但是很遺憾，我們接連做了好幾次實驗，均沒有看到理論上該有的實驗現(xiàn)象。

對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，我認(rèn)為實驗沒有產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果主要有這樣幾方面的原因：在實驗中，需要將燒瓶中沸騰的水倒入廣口瓶中，然后才可以抽對其抽氣，在這一過程中，水的熱量散失很快；其次，廣口瓶，以及廣口瓶與微型臺式真空泵接觸的底座的溫度都遠(yuǎn)低于瓶內(nèi)的水的溫度，這種溫差導(dǎo)致兩者之間發(fā)生熱傳遞，即是迅速的抽氣，但是還是趕不上熱量散失的速度，同時從瓶塞上的溫度計上我們也可以看到水溫下降的很快，這就導(dǎo)致即是抽氣降低了瓶內(nèi)的壓強，但是水還是沒有沸騰的現(xiàn)象產(chǎn)生；第三，也有可能是微型臺式真空泵的真空度太低，或者橡膠軟管與玻璃管的連接不太好，氣密性差，這些都導(dǎo)致實驗達(dá)不到預(yù)期的現(xiàn)象。

三、改進(jìn)

我們可以如下的改進(jìn)：用附圖所示的裝置，以人工吹氣作演示效果較好，如能由學(xué)生分組觀察實驗，則效果也很好。其優(yōu)點是：①不用抽氣機(jī)，而是用嘴含著橡皮管吸氣或吹氣，可以增加學(xué)生的實際感受與趣味性：②效果明顯并可由溫度計看到具體的度數(shù)，如吸氣時，雖離火而已經(jīng)停止沸騰的水卻可再沸騰一段時間，溫度降到100℃以下時仍可再沸騰。反之，水在燈焰上正急劇沸騰，大汽泡很多的情況下，用力向試管內(nèi)一吹氣，大汽泡立刻顯著減少或暫時停止沸騰。如繼續(xù)再加熱并繼續(xù)吹氣，最后可見再次沸騰時沸點會高于100℃。一松口放氣則沸點又恢復(fù)100℃；○3可將試管直接放在酒精燈上加熱，且水也只用很短的時間便可沸騰；④試管內(nèi)汽泡變化情況清晰。在該實驗中要注意這樣幾點：①裝水的試管底部要放少量粗砂粒以防崩沸。②中間加一空試管以防熱水吸入口內(nèi)?！?各個連接口注意保持氣密性。這種改進(jìn)主要是從實驗取材方面考慮的，如果實驗條件允許，那么完全可以用一些更加先進(jìn)的實驗儀器來進(jìn)行實驗，例如沸點與壓強的高精度的分析儀，或者用壓強溫度的傳感器等。

四、總結(jié)與反思

創(chuàng)新才能不斷發(fā)展，要不斷思考不斷創(chuàng)新。方向和目標(biāo)是貫穿整個實驗的核心，只有明確方向，圍繞這個方向努力下去，才可能有結(jié)果。創(chuàng)新點可以從很多方面確定，不一定是很高深很前沿的東西。確立了創(chuàng)新點之后就要開始整個實驗了，可以先熟悉幾次實驗過程，再一步步認(rèn)真研究。此時，一定要注意積累經(jīng)驗，能夠提出大膽的猜測，并為之付出實踐。用發(fā)散思維多方位的考慮，作出大膽的猜測，但要始終圍繞創(chuàng)新點，不能偏離主題，也不能隨意猜測，而要有根據(jù)有目的地做出假想，再一步步實踐去驗證自己的猜測。其實，每一個偉大的成就都是這樣“平凡”地一步步得出來的。