论文1：酒精与水混合后体积变小的真正原因.doc

学科论文：初中科学酒精与水混合后体积变小的真正原因作者： 张胜 手箱： 120269969【内容提要】：酒精与水混合后体积变小的最佳解释是：“一则是因为水分子、酒精分子进入了彼此的空隙；二则，也是主要原因，是因为压强增大后把分子之间的空隙压小了。因为我把五十毫升的酒精和五十毫升的水混合后变成93毫升，体积减小了7毫升。但是我把这93毫升分两个量筒装后却变成了97毫升了。也就是说压强使它压缩了4毫升，而彼此进入对方分子的空隙中只改变了3毫升。所以压强是主因，而彼此进入对方的空隙是次因。而且随液体的深度的增加，压强所起的作用将更大。【关键词】：分子运动论 分子群 体积变小 空隙 斥力 压强 【正文】：一、实验才会有科学新发现上学期我校搞教研活动，金东区初中科学青年教师培训班集中学习活动在我校举行，有两位教师上了公开课。上完课后再进行评课，然后教研员张成生老师进行讲座。讲座的课题是怎样在初中科学教学中落实有效教学框架。活动间隙，张老师让我做个实验探究一下。他说：“在做分子间存在空隙的实验时，他发现了一个问题。我们把水和酒精各取五十毫升后马上混在一起后，发现体积减小程度比较大。但是把水和酒精各取五十毫升后，放置一节课或更长一段时间后，发现它的体积减小程度有所下降。”张老师问我：“这是什么原因呢？”我说：“我从来没碰到过这个问题，让我想想看。”过了三、四分钟后，我说：“也许放置一段时间后，许多分子凝聚成团，在此我把它命名为分子群。时间越久这个分子群就越大，分子群也越多。所以分子及分子群只能相互进入分子群之间的空隙，许多分子就无法进入群内分子之间的空隙。比如在做七年级上册科学课本中的黄豆和沙的模拟实验时，如果沙长时间放置，结成块后，再和黄豆混合，其体积的减小程度也不大。所以，两种液体时间放置久了后不仅水分子形成许多分子群，酒精分子也会形成许多分子群，这样体积地减小程度会更加不明显了。”这一说法既得到了张老师也得到了各位科学教师的认可，但是必须得通过实验来验证一下这个猜想。张老师也建议我去做一下实验，认真探究一下是什么原因，顺便写下相关的文章。于是，今天（2011年11月4日）一早，我就准备了实验器材及所需的物质。马上动手做了分子间存在空隙的实验。实验的结果正像张老师说得一样，放置一段时间后现象变得不明显。那么我的猜想是分子群增大及增多，而倒液体时会打破这种分子群。所以我就多倒几次，再加上多次搅拌，这一现象就明显多了。倒水与搅拌都可以把分子群打破，由此也证明了我的猜想。实验过程中我还发现了一个很奇怪的现象，就是把混合后得到的93毫升的酒精溶液再分两个量筒装，结果发现相加后却不止93毫升，一个量筒中是50毫升，而另一个是47毫升，共有97毫升左右。当时我就感觉很奇怪，一开始还以为自己做错了、量筒不精确或是看错了。于是就往一个量筒中倒入了100毫升的水，再把这100毫升的水，分成两个量筒装，结果相加后也是超过100毫升。一个量筒是50毫升，另一个量筒却有55毫升左右，加起来就有了105毫升。其实我们也可以反过来说，把一个50毫升的水，还有一个55毫升的水，混在一起，却只有100毫升的水了。为了验证这一结果，我再做了类似的实验。分别用两个量筒量取50毫升的水，再把它们混合在一起，结果发现只有95毫升。就是不用水和酒精混合，直接用水和水混合，混合后的体积也减小了。为了防止实验误差，及学校装备的落后使实验不精确。我又换成精确度更高的量筒。我取两个量程是10毫升的量筒，最小刻度值从原来的1毫升精确到0.1毫升。然后各量取5毫升水，再把它们混合后，结果只有9.7毫升。请注意和上次实验比减小程度下降了。然后取不同量的水继续做实验都得出了类似的结果。我终于恍然大悟。原来我们科教书中用水和酒精混合的实验来证明分子间存在间隔，它存在错误。实验本身证明分子之间存在间隔应该没错，可是解释却错了。所以，我们以后证明分子间存在间隔的实验可以改为50毫升水和50毫升水混合，结果发现体积也变小了，这说明分子间存在间隔。只不过解释得改了，应该这样解释：由于把两部分水混合后，水的深度增加了，底部的压强增大了，在较大压强下，水分子间的空隙变小了。当然，如果我们还是用课本上的实验，更正确地解释是：“一则是因为水分子、酒精分子进入了彼此的空隙；二则最主要的一点是压强增大了，把分子之间的空隙压小了。”为了证明这一点，我在两个量筒中各装50毫升的水，先把一个量筒中的水倒入了一个截面积很大的圆形水槽中，记录其刻度。再把另一量筒中的水倒入水槽中，测量后发现总体积没有变化。这是因为，要使分子间的空隙压缩，必须要有一定的力，也就是要有一定的深度。我把这个能压缩体积的最小深度叫做临界深度。此时体积没变，是因为水的深度还没达到这个临界深度。这个比较实验也证明了我的猜想：“深度增加压强增大后使分子间的空隙变小了。”改进后的实验有几个优点，一是节约资源，我们用酒精和水混合虽然也可以用改进后的解释，但做过实验后往往倒掉，浪费了酒精资源。二则，实验物质很方便，我们不必到实验室取酒精，直接用自来水就行了。三则，解释的理论弥补了原先解释的错误，酒精与水混合体积变小。除了一个进入彼此的空隙的理由外，另一个理由是：“由于压强增大使分子间的间隙变小了。”由此，我们可以得出几个猜想：1. 深度达到临界深度时，水的底部分子间的空隙比较小。2. 同样是水其实也不是均匀的，如果水深达到一定程度后，上层水分子疏，下层水分子密。3. 海水底部的密度要比表面水的密度大的多。4. 我们在配制一定质量分数的溶液时，不能用量筒测量水的体积，否则会造成误差。应该用天平称量水的质量。5. 不同的液体其临界深度不同。6. 同种液体在不同的温度下它的临界深度也不同。那么除了水是不是其他液体也有类似现象呢？是不是还和分子的大小，相对分子质量及液体的密度有关呢？于是，我用酒精继续做实验。取两个量程是100毫升的量筒，然后各量取50毫升酒精，再把它们混合后，结果也变成了95.5毫升。根据结果我们发现两个液体体积变小得程度不同，从中也说明了还和液体的种类有关。为了实验更准确，我又换成精确度更高的量筒。我取两个量程是10毫升的量筒，最小刻度值从原来的1毫升精确到0.1毫升。然后各量取5毫升酒精，再把它们混合后，结果还是10毫升。那么为何会出现这种现象呢？我深入思考后觉得，这又是一个大进步。因为，要减小液体分子间的空隙，必须要有一定的力来克服液体分子间的斥力，而每一种液体分子所需要力的大小是不同的。我们就可以用这种方法来测出不同液体分子之间斥力的大小。打个比方，我做的这个10毫升酒精地混合实验，说明了混合后的深度所产生的压强还不能克服酒精分子之间的斥力，所以混合后体积不减少。而用100毫升做的这个实验，它产生的压强就可以克服酒精分子间的斥力，所以体积减小了。我们只要用实验得出每种液体能减少体积的临界深度，就可以计算出该种液体分子之间斥力的大小。 我可以用右图来说明问题。如图，如果此时，把它分成两个量筒装，其总体积变小。但是，稍稍降低液面深度后，分两个量筒装体积却不变，我们就把这个深度叫做临界深度。 当深度等于或超过此深度时，体积就可以被压缩。而且深度越深压缩程度越大，并且不同的深度压缩程度不同，如下图。 离液面的深度等于临界深度，分子间没有被压缩。而在以下，则都被压缩，而且深度越深压缩程度也越大。二、新发现验证之路是坎坷的我在2011年11月4日，写了科学新发现：酒精与水混合后体积变小的真正原因。经过我上百次的实验，最终形成了一定的理论。然后到处向各报刊、科学杂志及科学论坛投稿。我的这一发现从投稿难，到没有一个平台可以尽快尽早的展示科研成果，最后终于在中国科普博览中发表。后来也接受了金华日报吴俊斐编辑的采访，当着她的面再次成功的做出实验。后来她又去请教两位教师及一位教授，把他们的意见反馈给我。“对于这种现象的研究，据我所知在中学科学老师中间，还没有人提出过这个概念，也没有人研究过。”某某老师说，张胜老师所做到实验确实发现了一些东西，但不能称之为新发现，只能说是一个粗略的实验现象，不能过早下结论。 “一个大气压要76厘米的水银柱才能产生，50毫升的水能产生多少压强？”楼老师认为，50毫升酒精和50毫升水混合总体积小于100毫升的原因是分子间存在间隙引起的，压强可以忽略不计。 “我们按照他的实验步骤做了多次实验，发现100毫升水分装到两个量筒里，在读数上没有发生那么大的变化，误差在0.1毫升左右，也就是说100毫升水分成两个量筒装，结果不可能是一个量筒是50毫升，另一个量筒却有55毫升，加起来有105毫升。可能他读数的时候有误差。”浙师大专家在和学生按照张胜的实验方法，多次实验，并将自己和张胜的实验结果一起放到浙师大有关论坛上进行了探讨，最后大家认为，在这个实验中，压强的变化不可能引起体积那么大的变化。黄仕华说，压强对体积的影响本来就存在，但是次要因素，初中教科书之所以没提到，可能和这是一个初中生的实验有关，教科书表述没那么复杂。 “尽管我们做不出张胜的实验效果，但我和我的学生都认为他那种探究科学的精神值得鼓励，也值得我们大家学习。”浙师大专家，张胜对科学真理的认真劲令人佩服，也让人尊敬。看完吴编辑的反馈后，我马上进行了回复。1. 其实，这一现象如果是真的，那肯定应该是新发现，因为在我之前还没有人发现过。当然如果是错误的必须得找出错误的原因。我们故且不说这是不是新发现，我先提出另两位的不当之处。 2. 楼老师说的有严重错误之处。一则，他不能说50毫升水产生压强。因为说液体的压强不能说体积，而应该说深度。他作为物理教师不应该犯这种错误。二则，分子本来就是微观的，无需多大的压强。我可以举出许多现实的例子来反驳他。比如著名的科学家帕斯卡曾经做过的一个实验：帕斯卡在一只完好的木桶上面加上一个严实的盖子。然后在盖子的中心挖出一个不大的孔，将一根长铁管插入小孔中，再慢慢地将桶里装满水，这时并没有什么现象发生。然后他站在一个房子的阳台上，只往管子里倒入了一杯水，惊人的现象出现了：一杯水竟使木桶压破了！ 由帕斯卡的实验我们知道，压强与体积无关，却和深度有关，深度越大压强越大。一桶水都没有把水桶压破，一杯水又怎么会产生如此巨大的力量呢？原来木桶的破与不破，并不是由桶内水的重量大小甚至体积大小来决定的，而是由水对桶壁的压强大小来决定的。我们还可以根据液体内部的压强公式P=gh得出：液体所产生的压强与液体的深度和液体的密度有关，而与水的体积和重力无关。 由此证明了楼老师的错误。3.专家说做这个实验时没有我这种效果，我想我们必须得找到为何会和我的结果有较大的出入。更何况你们上次也看到过，我把100毫升分两个量筒装确实是50毫升+55毫升，所以应该不是读错的原因，因为这种错误是非常低级的，也是可笑的，相差这么大不能说是误差了。所以专家的结论说我读数有误差是不科学的，误差不会相差这么大。为了科学真理，也是慎重考虑，我建议先慢点发表文章，能否让我和专家一起把这一出入解决了再发。第二天，仔细分析了一下原因，然后把专家无法做成这个实验的原因又发给了吴编辑。我说：“我仔细分析了一下，专家为何没能做出我的实验效果？大致有如下的原因。1. 我做的实验是11月4号，那时的气温高，而专家做实验时是12月6号，此时气温低。因为气温低了，水分子间的空隙会变小，所以此时所需的压强要大一点才能压缩。就如蓬松的沙子易压缩，而实的沙子难压缩一样。正如我前面文章中所写的一样，压缩程度与临界深度和气温有关。2. 也许他们做实验时水的深度不够。”后来，在吴编辑的安排下，我在12月9号下午和专家见面了。在他办公室聊了一会儿，他打电话叫来了几个教师。两位教师带着实验器材过来了，我一看他们带的两个量筒，马上说：“这两个量筒太矮，能否换高一点的。”他们说：“用这两个量筒也做出了效果，就是只差二毫升。”我说：“最好再拿高的来，因为，一则你们的量筒高度没我做的时候高，二则现在气温也比较低。”然后专家、吴编辑、两位教师和我一行来到了实验室。我当着他们的面，再次做了这个实验，虽然他们换了大量筒，但水的深度也没我做的时候深，我还是做出了理想的效果。专家非常严谨，他也像我第一天发现时一样，反反复复的做了许多次。我们从四点钟左右，一直做到五点四十分钟左右。最后专家说：“也许是溶解氧的原因。”我马上反驳：“错了，溶解氧影响没这么大。就是把白糖放进水中，体积变化都不会很明显，更何况是溶解氧？”我又说：“我现在非常自信了，因为我已预测出您们先前不成功的原因，现在改成高一点的量筒就能做出来了。说明我已形成了一定的理论，如果现在的气温回到11月4日，那效果会更明显。不信的话，你们可以用开水调成温水试试。”在实验中，我又有了新感悟。我们平时说的是量筒越细，越精确，这是非常有理的。因为，此时体积相差一点点，高度就会相差很大。但是从某个角度说用粗的量筒也会比细的量筒更能说明问题。如右图。量筒中的水面呈凹形，我们读数时视线应该与凹形液面的最低处相平。如左图，所以此时水的体积为85毫升。下面就用图来解释一下为何有时用粗的量筒好呢？如上图，左边是管径较细的量筒，而右边是管径比较粗的量筒。根据读数时视线应该与凹形液面的最低处相平的原则，我们可以看到，液体的真实体积要比读数大，相差黄色部分的体积，即我们的读数其实是偏小的。我可以用公式表示为：V读数=V实际V黄色根据图，我们很明显可以看出来，细量筒的黄色部分所占的比例要大，而粗量筒的黄色部分所占的比例小的多。为何我要说我的这个感悟呢？因为，我把100毫升的水倒入两个量筒中。一个量筒中的100毫升水，原本是减小一部分的体积，现在倒入两个量筒中了，体积就要减小两部分了。虽然减小得更多了，我们的实验却还是发现总体积增大了。说明我的新发现确实是存在的。三、预测是证明新理论对错的很好方法12月15日，都市快报的记者张一诺采访了我。我当着她的面，用开水和冷水兑成20的温水，再次成功的做出了11月4日时的实验效果。因为当时，2011年11月4日的气温是1926。第一步，调好温水（过冷的水会影响实验效果），模拟11月4号时的气温，调成20左右。拿出两个刻度为100毫升的大量筒，将右边的量筒灌水100毫升。如图一：第二步，将右边量筒中的水倒到左边的量筒中，快到50毫升时，改用胶头滴管滴入，直到左边量筒的水达50毫升。如图二：这时，对比两个量筒就会发现一个奇怪的现象：“右边的量筒明明已经倒出50毫升水，可还剩下55毫升水。”如图三：第三步，再将50毫升水倒回到量筒里，还是100毫升水。第四步，为了证明两个量筒误差不大，又把右边量筒中的水全部倒进左边量筒，结果发现还是100毫升。如图四：张记者回去后也采访了浙师大的专家，下面引用张一诺记者在都市快报中的一段话，如下：专家也做了这个实验，一开始实验没成功，换成大量筒之后，这个神奇的现象又出现了。 他说，“以前还真没什么人关注到这一现象，很佩服张老师的探索心，不过我的分析理由和张老师不太一样，我觉得这和水表面的分子与空气的接触面积有关，水表面接触空气后，一部分空气会融入到水中，导致水的表观高度变高，而接触面小了，融入的空气少了，表观高度就会变低，分装成两个试管，接触空气的面积就大了，表观高度就会高一些，压强也是其中一部分原因。”而我有四个疑问，觉得专家的说法有值得商榷的地方：一则，气体在水中的溶解度很小，一般情况下，水放那么久了早就饱和了。 二则，假设真的是气体溶入其中造成的，气体溶解在水中对体积的影响不会这么大。就是把白糖放到盛满水的杯子中，水也不会溢出。三则，假设专家的说法是对的，那他们第一次用低一点的量筒也能做出来。但是在金华日报吴俊斐记者采访他后，他们模拟了我的实验却不能成功。在吴记者联系我后，我分析了几个原因，在上文中有描述。根据我的预测，让他们改成高一点的量筒就成功了。四则，在吴记者的引荐下，我在12月9日和专家见面了。当时的气温是19。在此对吴记者表示非常的感谢！一开始他们带来了两个比较低的量筒，在我的要求下，他们换下低量筒，重新找了两个高一点的量筒。我当着他们的面做了100毫升加100毫升小于200毫升的实验，结果很满意。但是200毫升的水深还没有我首次做实验的时候高。这说明了什么？我是做50毫升加50毫升小于100毫升的，水却比他们200毫升的要深。那就是他们现在用的量筒要比我做的量筒粗，根据专家说的和接触面积有关，那应该做“100+100200”的实验现象明显一点。可实际上却还不如我第一次实验来的明显。根据控制变量法，可以排除面积这个因素了，而得出和深度有关，也就是和压强有关。除了以上四个疑问，其实还有一种方法可以检验新理论的对错。要检测一个新理论是否正确，最好的方法是预测。预测可以去伪存真。比如：元素周期表是1869年俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的，他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一行，就是元素周期表的雏形。利用周期表，门捷列夫成功的预测当时尚未发现的元素的特性(镓、钪、锗)。正因为元素周期表可以预测未发现的元素，所以它是正确的。同理，一开始金华日报吴俊斐记者先来了解我的实验。她很慎重，所以将我写的文章给专家看。专家看过我的文章后根据我的描述进行了实验，可是却无法做出效果。吴记者把这个情况反馈给我，我仔细分析，并预测了三个原因： 1. 我们学校的仪器不精确，这我在一早就怀疑了。所以我做了许多实验并换用精确度更高的小量筒，以及寻求高校专家的验证。所以就想出了本文中的第四步，证明两个量筒误差不大。 2. 做实验时还和水的深度有关，也许他们做的时候水不够深。这一点其实在我的首篇文章酒