【跨学科实验案例1】探究水沸腾时的温度特点 简单

写在前面：

         2022年义务教育新课程方案和标准发布，在新课标中规定了很多义务教育阶段要做的实验，一直希望将信息科技和其他学科进行融合，感觉与实验结合是一个非常好的方向和做法，因为信息科技可以将其他学科实验中的很多现象进行具体数据化，并形成直观的图案，有助于学生更好地感受和理解。学科融合也是新课标中非常重要的一个方向，因此我将尝试做一个案例集，欢迎各位对我进行批评指正，帮助我进步。

         第一个学科我选择了物理，作为一个理科生，对于物理还是有一些印象☺。

         在新课标中初中要做的物理实验有如下20个

       第一个实验选择比较简单的热学实验，探究水的沸腾时温度特点。

【知识回顾】

一、什么是沸腾 

        沸腾是指液体受热超过其饱和温度时，在液体内部和表面同时发生剧烈汽化的现象。不同液体的沸点不同。即使同一液体，它的沸点也要随外界的大气压强的改变而改变。

        我们在生活中从观察水的沸腾现象看出，水沸腾时，大量气泡上升、变大，到水面破裂，里面的水蒸气散发到空气中。

二、实现沸腾的条件是什么

        1.达到沸点

        2.能继续从外界吸热。

三、什么是沸点

         各种液体沸腾时都有确定的温度叫沸点。不同液体的沸点不同。即使同一液体，它的沸点也要随外界的气压而变：大气压强越高，液体沸点越高，反之就越低。一个标准大气压下水的沸点为100℃，这是最为常见的。在一定的外界压强下，沸腾只能在某一特定温度（沸点）并持续加热下进行。液体在沸腾时，温度保持不变，仍然吸热。这时的饱和汽压跟外部压强P相等。液体所受外部压强增大时，它的沸点升高；反之则降低。不同液体在相同的压强下的沸点是不同的。这与液体的饱和蒸气压有关。若当前温度下饱和蒸气压与外界相同，液体即沸腾，而液体的饱和蒸气压与液体的温度存在正相关关系。

【观察与实验】

一、实验目的

       观察水的沸腾现象及水沸腾时温度变化的的特点

二、组装实验装置

      1.硬件搭建

      本次实验比较简单，使用到的器材也比较简单。

      行空板   1块

      18B20 防水温度传感器套件  1套

      物理实验器材  1套

       2.编程设计

       代码也是非常简单

      Python代码见文末。

三、实验过程与方法

1.组装好实验器材和温度探测设备，在量杯中加入100ml常温的水，启动实验设备。

2.点燃酒精灯给量杯加热，观察水沸腾前发生的变化(水的温度、水发出的声音、水中的气泡……)，并进行记录数据。

现象：

我们发现，在70摄氏度的时候，量杯中开始有气泡产生，此时气泡比较小。

      随着时间推移，水温越来越高，气泡在上升过程中有小变大，伴随着水面有水蒸气出现。

      温度来到95.5℃，并且保持了很久，期待中的水沸腾始终没有出现。

      量杯中的水也由原来的100ml变成了60ml.

                                                  （中间突然出现了短暂的数据为0，可以忽略）

      这是怎么回事呢？

      找来物理老师，物理老师说实验过程中水始终不能沸腾，可能是火力不足，即酒精灯火焰太小，可能是环境温度太低，可能是烧杯散热面积太大，散失的热量大于（等于）水吸收的热量等。

       那如何解决呢？

       物理老师说给量杯加一个盖板。

       3.改进实验方法

       在量杯的杯口加上一个盖板，实验装置如下图所示。

        再次点燃酒精灯，开始对量杯进行加热，进行第二次实验。

现象：

       我们发现对比之前的实验，这次气泡在80℃左右才零星出现。

       这次温度终于来到了100℃，水出现了沸腾时该有的状态。

                                                      （诡异的数据突然清零再次出现）

       水沸腾后温度保持不变。伴随着有气泡上升，变大现象。

      4.熄灭酒精灯，观察继续。

      酒精灯熄灭之后，量杯中的水迅速做出了反应，停止了沸腾，温度逐渐下降。

                                （到达沸点后温度保持不变，当酒精灯熄灭温度开始下降）

       从数据的图表可以看到温度上升过程比较短，说明升温比较快。降温过程比较长，说明散热比较慢。这与我们日常认为的现象不符，原因应该是盖板的出现让降温过程变慢了。下次可以做一个从100℃降温的对比实验，一个盖盖板，一个不盖，这样有对比才知道问题在哪。（已经紧急下单了几个18B20 防水温度传感器套件，准备做对比实验）

      5.实验结论

      （1）水的沸腾是一种剧烈的汽化现象。

      （2）水沸腾时，大量气泡上升、变大，到水面破裂，里面的水蒸气散发到空气中。

      （3）在沸腾的过程中，虽然水继续吸热，不断地变成水蒸气，但温度保持不变。

      （4）水沸腾应具备两个条件：水要达到一定的温度（沸点）；必须持续吸热。

        在实际的实验过程中，我们会发现要实现水沸腾其中一个条件必须持续吸热，还要进行进一步说明，那就是吸热热量要大于其散热热量。第一次实验失败就说明了这一点，这也就是要学生动手做实验的最重要原因，实践是检验真理的唯一标准。

        在第二次实验的过程中，我们发现水温一度去到101℃，这与书本知识不符，原因就是因为我们加了盖板，使得量杯内的气压发生了变化，下次的实验我们将加入气压传感器来进一步进行探究。

       6.实验拓展

     （1）不同液体的沸点不同。（见下图）

         从表中条件和数据可以看出，液体的沸点与液体的种类和大气压有关。

在标准大气压下，水的沸点是100℃，酒精的沸点是78℃等，只说水的沸点是100℃是错误的。

        (2)高原地区海拔高度越高，大气压就越小，水的沸点就会越低。

       例如，我国的青藏高原，平均海拔4000米以上，被称为“世界屋脊”。在这里，水的沸点常年都达不到100℃，大部分地区水的沸点为84～87℃。而在8844.43米的珠穆朗玛峰上，烧开的水只有73.5℃。这样的温度，连鸡蛋也煮不熟......

因此，高原地区要将食物弄熟，往往采用烧烤或高压锅的方式加工食物。

        高压锅的原理：食物加热后，水蒸气跑不出来，锅内气压升高，水的沸点也相应升高，食物很快就熟了。

     温馨提示：

      我们可以通过以下操作来缩短实验时间：

   （1）盖盖子，以减少热量散失；

   （2）减少水的质量。

   （3）用初温较高的热水加热，以缩短等待时间。