“用溫度計測量水的溫度”實驗的深度探究

李 燦 楊文健 熊舉峰

(湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖南 長沙 410081)

1 問題的提出

“用溫度計測量水的溫度”是2012年版人教社八年級上冊物理教材中的一個學(xué)生必做實驗，如圖1所示.并且在實驗的后面總結(jié)出了3個要點：

(1)溫度計的玻璃泡應(yīng)該全部浸入被測液體中，不要碰到容器壁或容器底.

(2)溫度計的玻璃泡浸入被測液體后要稍等一會兒，待溫度計的示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù).

(3)讀數(shù)時溫度計的玻璃泡要繼續(xù)留在液體中，視線要與溫度計中液柱的液面相平[1].

圖1 人教社八年級上冊物理教材中的實驗

筆者在網(wǎng)上觀看了許多優(yōu)秀教師的上課視頻，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中，教師一般都直接告訴學(xué)生實驗的3個要點，讓學(xué)生按照書上的要求去做，弱化了讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程.事實上，老師們往往忽視了這3個要點中所隱含的具有探究價值的要素：

(1)溫度計置于不同位置時對測量影響有多大？

(2)讀數(shù)時玻璃泡浸入被測液體后需要等待多久才能讀數(shù)？

(3)讀數(shù)時視線與液柱的液面不平行對結(jié)果會有怎樣的影響？

本文通過實驗對以上3個隱含問題進(jìn)行了深度探究.

2 實驗探究

2.1 探究溫度計在不同位置對水溫測量的影響

2.1.1 實驗設(shè)計與操作

(1) 實驗器材

350 mL燒杯，鐵架臺，分度值為1 ℃、量程為100 ℃的酒精溫度計.

(2)實驗條件

25 ℃室溫，濕度40%，在燒杯中裝入300 mL 85 ℃的水.

(3) 操作

如圖2所示，將盛有水的燒杯放在鐵架臺上，懸掛兩根相同規(guī)格的酒精溫度計.把一根溫度計以規(guī)范的方式置于水中測量，另一根則分別以接觸燒杯底部、接觸燒杯側(cè)壁和一半浸入水中的方式測量，如圖3～5所示.

圖2 實驗裝置 圖3 接觸燒杯底部

圖4 接觸燒杯側(cè)壁 圖5 一半浸入水中

讓水自然冷卻，分別測量不同水溫下溫度計的示數(shù).完成測量后將其數(shù)據(jù)填入表格進(jìn)行整理，如表1所示.

表1 不同水溫下溫度計在不同位置所測溫度對比

2.1.2 數(shù)據(jù)分析與教學(xué)建議

從表中實驗數(shù)據(jù)可以看出，3種不正確方式的測量都會與實際溫度產(chǎn)生偏差.而且所測水溫越高其產(chǎn)生的偏差越大，當(dāng)水溫在85 ℃時，玻璃泡浸入一半時測得溫度的偏差高達(dá)11.4 ℃，其他兩種方式所測得的溫度偏差也超過了5 ℃.隨著溫度的降低，雖然測量偏差逐漸減小，但產(chǎn)生的偏差卻依然較為明顯.

從操作方式上來看，當(dāng)溫度計玻璃泡浸入一半時對溫度測量的影響最大，觸壁測量時差別最小.

在教授了學(xué)生正確的溫度計讀數(shù)方式后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生從“試誤”的角度測量幾組錯誤操作方式下的溫度，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，從而加深對正確操作方式的理解.

2.2 探究水溫隨時間的變化

2.2.1 實驗設(shè)計與操作

(1)實驗器材

350 mL燒杯，鐵架臺，數(shù)字溫度計，分度值為1 ℃、量程為100 ℃的酒精溫度計.

(2)實驗條件

25 ℃室溫，濕度40%，在燒杯中裝入300 mL 99.6 ℃的沸水.

(3)操作

將數(shù)字溫度計和酒精溫度計同時放入沸水中進(jìn)行測量，測量沸水逐漸冷卻過程中的溫度變化，如圖6所示.

圖6 數(shù)字溫度計和酒精溫度計同時測量

測量的溫度數(shù)據(jù)記錄在表2中.

表2 300 mL水溫隨時間的變化情況

2.2.2 數(shù)據(jù)分析及教學(xué)建議

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，前5 min之內(nèi)，溫度變化了16.7 ℃，平均每分鐘變化3.34 ℃，每秒鐘變化0.056 ℃，而我們一般使用溫度計讀數(shù)都要在水中停留3～5 s之后再讀數(shù)，若取中間值4 s進(jìn)行讀數(shù)，則會產(chǎn)生0.22 ℃左右的讀數(shù)偏差，這個數(shù)值偏差肉眼上是可以辨識的，而5 min之后的溫度變化逐漸趨于緩慢，溫度計的示數(shù)較為穩(wěn)定.因此，當(dāng)使用酒精溫度計在較高溫度的水中讀數(shù)時，溫度計的液柱無法保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，讀數(shù)也就容易受到影響.

教材中的要點“溫度計的玻璃泡浸入被測液體后要稍等片刻，待溫度計的示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)”是教師在教學(xué)中必須強(qiáng)調(diào)的.但是由于水溫較高時，受對流、輻射等因素的影響而導(dǎo)致水溫變化劇烈，會影響到溫度計的正常測量.

因此，教師對學(xué)生進(jìn)行一定的客觀規(guī)律知識普及，定性告訴他們?yōu)槭裁锤邷貢r水溫變化劇烈的原因，從而讓學(xué)生注意盡量不要在溫度過高的時候讀數(shù)是有必要的.

2.3 探究觀測角度對讀數(shù)的影響

2.3.1實驗設(shè)計與操作

我們選取幾個常見的角度對溫度計進(jìn)行讀數(shù).不管溫度計是否置于被測液體中，其讀數(shù)的方法都是一樣的，因此可以將溫度計單獨拿出來讀數(shù).在實際觀測中，我們選取一塊硬紙板，在硬紙板上作一條與直角邊平行的線，并選取一個原點P，然后用量角器測量好相應(yīng)的角度，并用線條將角度畫出，如圖7所示，需要測量哪個角度時，則將一枚大頭針固定在該角度直線上的某一點，測量時將硬紙板的另一直角邊靠在溫度計上，使大頭針與酒精液柱兩點成一直線，利用光的直線傳播原理，將視線對準(zhǔn)大頭針進(jìn)行讀數(shù)，如圖8所示.將觀測所得到的數(shù)據(jù)在表3中呈現(xiàn).

圖7 在硬紙板上畫出相應(yīng)角度

圖8 將大頭針固定在硬紙板的某角度上

表3 不規(guī)范操作時溫度計的讀數(shù)

2.3.2 理論分析與驗證

圖9 模擬光路圖

sini=nsinr

(1)

sin2r+cos2r=1

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得

(4)

再由幾何關(guān)系可得

(5)

(6)

將相應(yīng)的角度代入式(6)中，與表3進(jìn)行對比，如表4所示.

表4 理論偏差與實際偏差對比

2.3.3 數(shù)據(jù)分析與教學(xué)建議

由以上數(shù)據(jù)可以看出，讀數(shù)所產(chǎn)生的偏差隨著角度的增大而增大.實際測量中，由于酒精溫度計的精度不高，故在偏差為10°之內(nèi)時其測量偏差不明顯，但是隨著偏差的角度逐漸由15°繼續(xù)往上增大時，其測量偏差就愈加明顯，且這個偏差與理論計算值基本吻合.

在實際教學(xué)中，教師強(qiáng)調(diào)正確的讀數(shù)方法固然是必要的，但如果能進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從正確讀數(shù)的反面來探究問題的話，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是大有裨益的.

3 總結(jié)

通過對教科書中3個問題的質(zhì)疑，分別從試誤的角度對3個問題進(jìn)行了深度的實驗探究，得出了不規(guī)范放置溫度計對讀數(shù)影響的具體數(shù)值、溫度較高時測量水溫容易產(chǎn)生偏差以及觀測角度對讀數(shù)影響的實際值與理論值.在實際教學(xué)中，教師在明確規(guī)范性操作的同時，可以引導(dǎo)學(xué)生從“試誤”的角度去進(jìn)行實驗，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，從而加深對正確操作的理解.