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第7章 汽化实验操作与改进设计(2)

(4)对于实验时温度计插在萘粉中的位置,有些书籍讲应插在试管的正中,玻璃泡在萘粉中下部;有些书籍则认为应插在靠近试管内壁,但不与管壁接触的地方,玻璃泡也应在萘粉中下部。尽管本实验中将温度计兼作搅动器,位置不断变化,但在读取温度时仍须静止。

第二种放置方法较好,因为将温度计放在萘粉正中,因萘是热的不良导体,温度计的读数很难反映萘的实际温度,可能外部萘粉已开始熔解,而温度计的示数尚未达到熔点。第二种方法则能克服以上缺点。

“晶体熔解”演示的改进

“晶体熔解”演示是中学物理教学中较难做好的验证性实验之一。主要存在的问题有以下几个方面:

(1)温度计指示的熔点数据偏差较大,偏高或偏低。

(2)温度计的示数还未达到熔点时,萘就开始熔解,且温度也随之逐渐向熔点温度上升。

(3)萘在30℃时开始熔解,但在试管中还有固态萘时温度却已超过80℃,以致很难观察到萘在熔解过程中温度保持不变的特性。

(4)萘的熔解过程时间过短,“熔点”的效果不明显。

(5)演示所需时间太长,与讲解配合不当,造成冷场。

前四个问题是由于系统误差造成实验结果不能说明问题或数据不符。产生本实验系统误差的原因主要有以下几点:

(1)温度计造成的误差。我们曾做过如下试验:把10支红色酒精温度计同时插入水中,发现示数各不相同,高低竟相差3℃之多,造成对萘的熔点示数不准。

(2)熔解过程中温度继续升高不能保持在熔点的主要原因是:

①由于火力太猛造成水的温度过高,使试管内外温差过大。②由于萘的导热性能差,如果实验时把温度计托在试管中心的萘粉中间,往往管壁附近熔化了,而中心部位还未开始熔化。这样,萘已开始熔解了,可温度计指示还达不到熔点且继续上升。过去不少参考书和有关资料介绍解决这个问题的方法是把温度计放在靠近管壁的位置,而不是放在正中心。这样做虽有些改善,但如果酒精灯火焰稍大一点,很容易使温度在熔解过程中继续升高。③难以观察到萘熔解过程中温度计指示在熔点上停顿的情况。如果单纯为了缩短时间,而使盛水烧杯太小或装入的水量不足,热水升温过快,将导致萘的熔解过程缩短,影响效果。为了使萘的熔解过程长一些,萘粉的量应适当。

针对上述问题,赵家扬老师介绍在以下几个方面作了改进和研究,大大提高了该演示实验的成功率。

改进实验装置系统

把温度计穿过橡皮塞后插入一小团松软的细铜丝里(铜丝团大小在其松松地装入试管后高度为30毫米为宜,材料可用剥皮的电灯花线铜丝代替)。装入试管(试管的具体尺寸见图9)后,再装萘粉,边装边摇匀,直到把铜丝完全盖住为止,此时萘粉的质量均为20克左右,过多过少都要影响演示效果。盖上橡皮塞后,要调整好温度计位置。由于铜丝改善了萘粉的导热性能,使中心萘粉和靠近管壁的萘粉基本能同时熔化,因此温度计的玻璃泡应位于铜丝团的中心位置,不能太靠近管壁也不能太靠近管底。盛水烧杯选用容量为250毫升的,杯中加200毫升左右的水为宜。为使水温均匀上升,需隔石棉网加热。

实践证明,上述改进装置不仅减小了该实验的系统误差,而且还具有下述优点:

①不需搅拌萘粉,使演示更加简明醒目、重点突出。

②加速了萘的熔解,节省时间。接通常的装置,演示至少需要30分钟,有时一节课还不能完成。用上述改进装置后,全部演示完毕只需15分钟左右。

精心操作

(1)控制试管内外的温度差。另外悬挂一支温度计观察水的温度。为使水温能稳定上升,控制火焰使水温上升速率为15℃/分左右。当萘的温度达到75℃后,把水温控制在84℃以下。使试管内外温差保持在4℃左右。当两温度计的温差显示高于6℃时,可移去酒精灯,待温度低于4℃时再加热。

(2)控制加热时间。为缩短加热时间,可在热水瓶内备70℃左右的热水。装置准备好后把热水倒入烧杯中,此时水温会稍低于70℃。加热待水温升至70℃开始计时。

遵循教学要求,进行启发诱导为了增强演示效果,我们从实践中总结了5条教学要求。

(1)目的性。观察实验既然是学生对客观事物的自觉和主动的认识活动,那么演示时就应该使学生明确实验目的。为了节省时间并使学生对晶体和非晶体的特点产生一个清晰的对比印象,可使松香和萘的熔解同时进行。演示前要向学生说明两个装置的原理。比如萘易燃,不能对萘粉直接加热,要使用水浴的办法。要求学生观察萘和松香在熔解前、熔解中及熔解后温度计示数的变化。学生第一次运用函数曲线来研究物理问题,还要讲清温度随时间变化关系曲线的画法及各段图像所表示的物理意义。

(2)可靠性。即要求实验做得成功。若准备不充分或没有掌握要领,即使简单实验也往往不易成功。这就要求熟练掌握实验技巧及其成败关键。课前试做,发现问题找出原因加以改进。

(3)计划性。演示要服从于课堂教学的要求,加强计划性。一方面要充分做好准备,使实验进行得井井有条:另一方面要按课程内容发展上的逻辑性,把演示与讲解加以合理安排。课前要在两块小黑板上分别画上直角坐标系以记载萘和松香熔解曲线。演示完毕后顺次把点连成曲线,让学生从中熟悉运用曲线来研究物理问题的方法,同时加深对晶体和非晶体物质的理解。

(4)示范性。教师是学生仿效的榜样,一举一动都对学生有潜移默化的影响。演示时,教师的操作应按规定去做。若操作熟练而正确,有条不紊,从容不迫,对学生会起良好的示范作用。操作中即使是微小的疏忽,对学生实验技能和严格科学态度的培养都是不利的。比如不要为了描点时能成一直线而修改客观数据或随便移动点的位置。教师对仪器的安装、操作的手续都要加以说明。

(5)启发性。演示实验要结合教学内容因势利导启发学生思维,不要把实验局限于只是直观地验证所讲内容。演示开始前可启发学生观察和思考以下几个问题:①萘和松香熔解前是吸热还是放热,温度是否上升?②在熔解过程中它们是吸热还是放热,温度是否上升?③全部溶解后是吸热还是放热,温度是否上升?④凝固过程的三个阶段又是怎样?⑤在曲线的哪一段出现吸热不升温及放热不降温的情况?

演示完毕,要求学生根据萘和松香的熔解凝固图像,结合演示过程中观察思考的问题,讨论归纳晶体和非晶体的熔解和凝固过程中的异同点。然后再在曲线上画几条曲线,让学生判别晶体和非晶体的曲线及指出晶体的熔点。这样就把观察实验现象的过程和其抽象思维与逻辑推理的过程很好地结合了起来。

熔解和凝固实验的改进

用萘做熔解和凝固实验,萘蒸气大量散发,将会危害师生健康。况且国家已明令禁止生产,也无法再买到“卫生球”做此实验。

江苏无锡县后宅中学钱坤炎老师在教学时是改用冰霜做熔解和凝固实验的,效果良好,容易成功,不像萘的熔解那么难做。冰霜来源于冰柜或“有霜”冰箱。目前冰箱、冰柜已普及,冰霜是容易采集的。从冰柜中采集的冰霜温度在-10℃左右,加入试管或小烧杯里,外面用自来水进行水浴加热。如气温较高,在20℃以上,可直接用空气加热,实验则更加简单。在实验中须注意以下三点:

(1)浴水温度不能太高,最好在10℃以下。浴水温度过高,试管中的冰霜熔解过快,不易观察和记录数据。另一方面,当冰霜熔解将尽时,由于试管内的刚熔化的水与周围高温水接触面积大大超过冰霜与试管内刚熔化的水的接触面积,故靠近试管壁的水从周围高温水吸收大量热而温度升高,水又是热的不良导体,结果造成靠近试管壁的那部分水温超过0℃,造成假象。

(2)温度计液泡不要和试管壁接触,要和冰霜保持充分接触,且液泡要全部埋入冰霜中,经常将冰霜或冰水混合物搅拌,然后读数。

(3)在做水的冷却凝固实验时,可将装有水的试管埋入冰霜中。因刚从冰柜中取出的冰霜温度可达-10℃左右,所以用它做凝固实验是可行的。为使冰霜不致向周围吸热而使温度升高,可将冰霜放入量热器或保温杯中进行。试管中的水温度接近0℃,数量亦最好少一点,冰霜则尽量多一些。

巧改萘的熔解实验装置

实验装置

四川省峨眉山市二中李建民老师设计的装置见图12,剪一块直径小于烧杯口径的硬纸板,在硬纸板的中心开一穿放温度计的小孔,沿小孔周围均匀地穿入细铜丝。用打孔器把橡胶塞一小孔,温度计穿入小孔中,然后插入穿有细铜丝的硬纸板,并在硬纸板和橡胶塞中间涂上胶水粘牢。用一个直径稍大于烧杯的塑料盖,在塑料盖中心开一孔径等于试管外径的圆孔,塑料盖放到烧杯上,把长度小于烧杯深度的试管穿入塑料盖的圆孔中,试管口边沿大于圆孔,可使试管悬挂在烧杯里。在试管中放入萘粉,用酒精灯加热使萘粉熔化,再将穿有温度计和细铜丝的装置放入试管中,温度计的深度离试管底部约为1厘米,细铜丝要接触管底部。待萘凝固后,只需在烧杯里加入适量深度的水便可进行实验。

设计原理

由于要解决萘的热传导性,所以采用在试管中均匀竖直萘的熔解装置①温度计②橡皮塞③细铜丝④试管⑤水⑥烧杯⑦塑料盖⑧硬纸板地安置传热效果好的细铜丝,使萘粉在加热过程中受热均匀,内外层温度保持相同。这样就能很好地观察到萘在熔解过程中,始终保持温度800℃不变的现象。

使用效果及方法

用普通酒精灯给该实验装置加热,萘在熔解过程中,保持温度80℃不变的时间可长达30分钟以上。同课本上的实验方法不同之处,是可以用快速加热的方法进行实验,既不影响实验效果,又节省课堂时间。实验时,不再搅动萘粉,只需直接观察萘的温度变化情况,按实验要求做好实验记录。

萘的熔解实验仪器改进

在《研究萘的熔解过程》实验中,由于萘受热不均匀,判定萘的熔点比较困难。虽然大家采用控制试管内外温差的方法,对萘的熔点确定有所改善。但在观察过程中,要经常搅拌和调整温度差,效果总令人不够满意。

对这个实验反复分析、研究,观察到问题的关键是试管的导热性能差所致。

永加县清永埠中学潘行生老师介绍的改进仪器的思路是从玻璃试管的内部和外部同时对萘加热。实践表明,这种方法观察的效果比较理想。

仪器的改进

(1)材料

18毫米的玻璃管一段,长度在100毫米以上(利用废试管截去底部即可)。厚度约8毫米、能紧塞玻璃管两端约3号橡皮塞2个。4号缝衣针6枚,直径约0.1毫米的细铜丝1米许。

(2)内部加热装置的制作

把6枚针按图13插在橡皮塞中。针尾留在塞外约5毫米,针尾形成边长为6毫米的六角形。穿过塞子的6个针尖,构成一个边长约4毫米的六边形。

用细铜丝穿过针孔相互交叉绕成辐射状的外部受热网。

在针头该端缠上细铜丝,构成栅状的内部加热体。栅网的间距约2毫米。加热体的内部空间,以能插入温度计的玻璃泡,周边留有1毫米左右的间隙为好。

(3)仪器的组装

把内部加热器紧塞玻璃管的一端,使管内不能渗入水。将温度计穿过另一个打好孔的橡皮塞,插入加热体部件中间,调整好温度计玻璃泡的位置,将温度计的橡皮塞拿开,放入玻璃管内约3克萘粉,用酒精灯将管内萘粉加热,熔解为液态时,把温度计的橡皮塞塞上,这样温度计的玻璃泡、加热体都凝固在萘中,仪器的主要部件组装即告完成。

按仪器的装置图安装好仪器,烧杯用100毫升的。

实验操作及测试

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