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第5章 物态变化实验的操作与改进

一个简单易做的实验

关于演示实验“水在低压下沸腾”,湖南省郴州市五中戴郴英老师发现,用普通注射器直接做该实验,效果更好,且简单易行。方法如下:

取一支20毫升的注射器(其他型号也行),内装10毫升左右的常温下的水(温度高的水更好),然后把针筒内的空气排除,筒上的小孔用橡皮帽塞紧(如图1所示)。这时用手将活塞往外拉,筒内体积增大,气压几乎为零,只见筒内水沸腾起来(如图2所示)。手一松开,在外界大气压的作用下,活塞又复原位,筒内压强增大,沸腾停止。

该实验方法介绍给学生,大家都很感兴趣,并亲自动手做。若在课堂上做分组实验,则效果更佳。

演示沸腾和液化的实验

初中物理课本对液体的沸点随压强而改变的实验是用手持气筒抽气减小烧瓶中水面上的气压来进行的。因气筒每抽一次抽不出较多的气体,故当烧瓶和导管中的气体稍多一点时效果就不太明显了。至于气体的液化温度跟压强有关,该课本则没有介绍演示实验。湖南省沅陵县乌宿区中学龚茂兴老师在教学中设计了一个实验,效果甚好,现介绍如下:

1.将一支20毫升的医用注射器内吸入2毫升酒精和少数空气,然后把装针头处用塞子塞牢(或将针头截去一段,把剩下的针管打扁不通气后装上)。

2.取100毫升以上的烧杯两只,一只盛入容积五分之四的酒精,另一只盛入同样容积的清水。

3.将注射器装针头端浸入盛酒精的烧杯中,用两个酒精灯分别对盛水和盛酒精的烧杯加热,并在二烧杯中各放入一支温度计(也可共用一支)。装置如图3所示。

4演示沸点与压强的关系:

①待烧杯中的酒精加热至68℃-70℃时,一手握住注射器筒,一手把活塞往筒外拉,可看到烧杯中的酒精没有沸腾而注射器中的酒精却沸腾起来了。说明注射器中因压强减小而酒精的沸点变低。

②仍将注射器浸在烧杯内酒精中,继续给烧杯加热,直至其中的酒精沸腾许久,可看到无论烧杯中的酒精怎样沸腾,总不能使注射器内的酒精沸腾,而当把注射器放入另一个烧杯内已被加热至90℃左右的水中时,注射器中的酒精沸腾起来了。说明注射器中因压强大于外界大气压,其中酒精的沸点比外界的高。

实验应注意:液体沸腾需要有汽化核,注射器内的酒精沸腾一段时间后会因缺少汽化核,虽温度达到沸点但不沸腾。解决办法是拔去注射器塞子,吸入新鲜空气,并将注射器振动几次,留下原来的酒精和新的气泡重作一次即可。

5.演示液化温度与压强的关系:

演示完沸腾后,把注射器放入烧杯内80℃以上的热水中,其中的酒精便会沸腾。待产生相当体积的酒精蒸气后用力将活塞向筒内压,可看到注射器内因汽液化而在壁上出现一层不太厚的酒精液膜(这时沸腾会停止)。烧杯内热水温度越高,使注射器内壁上产生液膜所需对活塞施加的压力也越大,这就说明液化温度随压强的增大而增高。

上图烧杯中所盛上图烧杯中所的液体为酒精。盛的液体为水。

气体加压液化

器材:100ml玻璃注射器(带针头)一把;橡皮帽一只;乙醚少许。实验过程:

1.将注射器抽进少许乙醚,拆下针头,排去注射器内多余空气,用橡皮帽将注射器密封。

2.将注射器倒置,并轻轻摆动,让学生观察注射器内确有液体存在。然后向下慢慢拉出注射器活塞,同时摇动注射器,使乙醚散抹在注射器内壁上以增大蒸发面积,当活塞拉到80~100ml时,注射器内乙醚全部蒸发了。这时引导学生观察注射筒玻璃壁,其透明度很大,再观察注射器内确无液体存在,进一步说明此时注射器内气体的压强约为05个大气压。

3.放手让大气压将活塞压入,注射器内气体压强增大,马上可以观察到注射器内壁析出液滴。当活塞被压回原位时,注射器内气体压强增大到一个大气压,这时可以看到刚才汽化了的乙醚蒸气,由于压强增大又液化成液态乙醚了。

厦门集美中学耀中、周戍老师设计的此实验与现行高中物理教材第一册的实验相比有如下优点:①仪器简单易得;②操作方便,稳定性好;③节省大量水银;④可见度大。

另外,在拉出活塞过程中,注射器筒变冷,可以说明液体蒸发要吸热;在压进活塞过程中,注射器筒变热,又可以说明气体液化过程要放热。

用实验解释“白气”

烧水时看到的“白气”,冬天从人们口内呼出的“白气”,看到的雾也是“白气”。要说这些“白气”不是气体,而是液体,学生不易理解。究其原因是受人眼观察事物的局限,因“白气”是由很小很小的水珠形成的“雾状物”,同生活中的气体相似,与平时看见的小水珠不一样。所以,很多同学误认为这些“白气”是气体。

为了让学生正确认识“白气”,四川省阆中市东风中学张胜演示了用原初中物理教材这节设置的那个实验。

首先引导学生认真观察实验的每一个细节:用酒精灯加热,使烧瓶内水汽化,瓶内充满着水蒸气。透过烧瓶,沿着瓶内水面向上看,烧瓶是透明的,再继续沿着弯管向右看,越接近管口越模糊,而喷出管口的是“白气”。然后,启发学生分析:假设看到的这个“白气”是气体,那么,它是从哪来的呢?是从烧瓶内沿着弯管喷出来的。如果是这样,烧瓶内就应充满着这种“白气”,烧瓶看起来也就应该是模糊不清的。这和实验所观察到的现象是矛盾的(烧瓶是透明的)。这说明我们的假设是错误的。即这些“白气”不是气体。

那么,这些“白气”是怎样产生的呢?原来,烧瓶内无色、透明的水蒸气经过弯管到喷出管口,遇外面的冷空气,液化凝结成很小很小的小珠而形成白茫茫的一团“白气”。严格地讲,这“白气”应该称为“雾”。把“白气”放入一空烧瓶中,烧瓶变成雾蒙蒙状,再把这个烧瓶加热,随温度上升“白气”又变成水蒸气,此时烧瓶又变得清澈透明。所以,这些“白气”不是水蒸气,而是水蒸气液化成无数微小的小水珠的集合。这样,难点就突破了。

通过上面的教学,即使学生懂得了“观察和实验”在物理学习中的重要性,同时,也培养了学生分析问题和解决问题的能力。

水蒸气凝结成水实验的改进

初中物理,水蒸气温度降低凝结成水的演示实验,可采用图5装置。新疆石河子织染厂中学王诗亮老师介绍用易拉罐代替烧瓶,去掉石棉网,并用热水做这个实验。这样很短时间水就沸腾了,并且把喷口插在装有少量带有颜色的冷水的细量筒中,水沸腾2~3分钟后细量筒中的水位上升8~10厘米,且水的颜色变淡,这是因为水蒸气遇冷变成了水的缘故。从而说明降低温度,可以使水蒸气液化。经过这样的改进,只要4~5分钟即可看到现象。采用有颜色的水,便于观察,增加了可见度,实验效果十分明显。

水的汽化热测定的简易装置

安徽芜湖师专钱佑新老师介绍了一套近几年来使用的、行之有效的水的汽化热的测定实验装置。

图中A为蒸汽发生器,B为蒸汽滤室,C为量热器,D为冷凝器(微量小烧杯),t为0~100℃温度计,t0为0~50℃精密温度计,e1、e2为连接用的乳胶管。

实验方法

(1)水沸腾后,接通e1,盖上瓶塞水汽即进入蒸汽滤室。当滤室水汽温度恒定后,记录水汽温度和量热系统初温,然后接通e2,水汽进入冷凝器,并同步记时。

(2)通入水汽后量热器系统温度宜控制在比系统初温高约10~15℃即可停止供汽(取下瓶塞,移去酒精灯),停止记时,但必须继续搅拌测定量热系统达到热平衡的最终温度。

凝结水修正质量m0的测量方法(1)保持实验的其他条件不变,只把量热系统、量热器内筒和冷凝器里的水倒净擦干,恢复装置。

(2)在量热系统与室内温度相同的条件下,按原来送汽的等同时间,送入原温度的水汽到冷凝器,称量所得的凝结水质量即为修正质量m0。

本实验装置设备简单(蒸汽滤室和蒸汽导管不需作绝热处理)操作方便、观察直观、学生实验误差都能控制在5%以内。

液体蒸发时温度降低实验的改进(一)

初中物理,用温度计演示“液体蒸发时温度降低。”此实验的可见度小,可作如下改进。

取试管一支,细长玻璃管一支,并弯成“S”状(见图7),橡皮塞一只。将玻璃管插入橡皮塞中,并从玻璃管的一开口滴入一小段染色液柱。用橡皮塞将试管口塞紧后,再将试管固定在铁架台的试管夹上。这样就成了一个气体温度计。温度上升时,液柱上升;温度降低时,液柱下降。实验时,用浸过酒精的棉花迅速涂试管外壁,这时由于酒精急剧蒸发而吸收了周围大量的热量,使得试管内温度迅速降低,结果管内小液柱迅速下降。

液体蒸发时温度降低实验的改进(二)

其主要部分是带标尺的木制支架、玻管和烧瓶(标尺54cm,玻管内直径2mm,烧瓶300ml)。两玻管用乳胶管连接,固定在支架上。烧瓶用橡皮筋紧固在支架的圆弧槽上,位置可调,用橡皮塞与右玻管连通。

实验

(1)取下烧瓶装进50ml红色酒精,将支架放倒,把烧瓶套紧在右玻管上,用橡皮筋固定,然后将支架竖直。

(2)用镊子夹棉花蘸酒精涂抹烧瓶(或将棉花放在烧瓶上)。

(3)观察到酒精蒸发,烧瓶内空气温度降低,压强减小,标尺处玻管中红色液柱迅速下降,达14cm以上。右烧瓶内液面上升甚小。

此演示实验装置与温度计有一定的相似,而且对温度变化的反应相当敏感,既可演示温升,也可演示温降。另外,它克服左右液面升降变化相等带来的不利影响,突出了实验效果。

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