课题3研究水沸腾前水层温度分布的实验

1、课题 3：研究水沸腾前水层温度分布的实验一、内容解读物质主体下第一个主体“物质的形态和变化”第四个三级主体要求能说出生活环境中常见的温度值。了解液体温度计的工作原理。会测量温度。尝试对环境温度的见解。该标准中的第一个要求是要学生能说出生活环境中常见温度值。第二个要求是了解液体温度计的工作原理。如，知道常见温度计是根据 、煤油或等液体的热胀冷缩原理制成的等等。第三点是要求学生会测量温度。这是关于基本技能方面的要求，属于操作水平。学生必须会正确操作，能那些是错误的操作。第四点是要求学生有关注环境温度的意识，并要求学生尝试对环境温度的变化发表的见解。该标准有利于培养学生关注科学技术对人类生存环境的影

2、响的意识，以便其树立正确的科学观。1课题目标（1）了解加热的过程中温度的变化，以及对流对水温的影响。（2）能以图和表的形式，归纳观察与数据；在观测值范围内做出补充；阐释观察与数据。（3）根据观察与实验数据，评价假设；在解答科学问题中，运用数学关系。2背景描述热量是由高温物体向低温物体传递的热能的多少。热传递有三种方式：传导、对流和辐射。在传导过程中，热由物体的一个传递到另一个，而物质本身并不运动。想象一下一只金属汤匙正放在电炉上的锅里加热，做缓慢运动的铁锅里的与快速运动的电炉丝里的发生了碰撞，通过热传递，那些缓慢运动的运动速率增大了。接下来，铁锅中的开始碰撞水，水又与汤匙一端的发生碰撞。随着运

3、动速率的增大，汤匙变得越来越烫。这一过程将持续到整个汤匙都变得烫手为止。就像图中的马掌，随着热从火中转移过来，马掌变得通红。这里，热是通过传导的方式传递到马掌上的。要是你仔细观察正用炉子加热的一壶热水，你会发现壶中的运动，这就是对流。对流是水热传递的式。在流体（液体或气体）中，热传递主要是通过液体的运动来实现。锅底的水受热后，运动速度增大，并开始往上升，结果锅底部分水的密度变得越来越小。在前面的知道中我们学到，密度小的流体将漂浮在密度大的流体上面。这样，在较热的这部分水往上升的同时，周围那些相对较冷的水将填补它们的位置，从而形成了的对流现象。1辐射是能量通过电磁波转移的式。因为热量可以通过辐射

4、传递，因此你能感受到几米之外的篝火或台灯散发来的热。温度计的原理二、材料器具1水、高锰酸钾、石棉网、2烧杯（1000ml 一个、400ml 两个）、灯、支架、温度计（4 支）三、教学建议通常要实现验证假设，就得选择逻辑地证明假设的步骤，这时，教师就要策划妥当的教学策略，而不是仅仅安排并操作一连串的实验装置。在本实验中，要准确地验证“之间的水层温度分布”的假设，必须做两个实验，一是定量测定同一烧杯中的水不同水层的温度分布，二是定性比较两个烧杯的水不同温度的对流的情况。学生倘若既能定量测定同一烧杯的水不同水层的温度分布，又能在这只烧杯中投入若干粒高锰酸钾，观察到不同温度水的对流情况，当然是非常好，

5、倘若学生不理解实验的操作同问题假设的关系，那么这种操作是无意义的，无内容的。建议做好两个铺垫：一是让学生在研究前熟知热量在液体中传递的形式对流及气球、肥皂泡等破裂的；二是做好探索引导中的实验，让沸腾前的气泡湮没现象清晰化。提醒：实验过程中高锰酸钾不易放得太多，大约三、四粒就可以了学生对水沸腾前水层的温度分布情况了解之后，也许会自然地想到另一个问题：探究0到 4的反常膨胀现象；也许还会进一步考虑，水沸腾前水层的温度分布情况是否适应于水之外的其他所有液体？若在水中加入盐现象会怎样？若改变大气压实验现象又怎样？他们会进一步探讨、研究。这时，教师倘若把学生的思路限定在机械、唯一的阐述可能性上，就会破坏

6、学生想去探究的好奇心，影响学生发现新的变量，如果学生想到了这些时，希望教师不要破坏学生的思路。对于大多数学生来说，立足于实验和观察，要使科学的思维过程上升到理论阶段是非常的，但是，让他们从更广的理论关系上认识现象、原理、法则也是非常必要的，倘若没有这种认识，往往会把理论误解为没有根据的主张，因此，在探究过程的目标之下，让学生通过以上的案例学习，将会使学生获得有关现象及经验性原则法则的知识，而最终在理性高度上获得这些关系的知识。本案例中，工具、步骤都是简单的，在许多的学生实验中，要相对复杂、精致一些。四、活动展开1动手实践，探究2在烧杯中装上水，并在灯上加热，引导学生观察到一个现象：之间，在烧杯

7、底部形成的气泡上升到中上层水中时，气湮没了。2观察议论，大胆猜想部分同学讨论：水烧开之前，热的，所以在壶底形成的气泡“升到温度较低的中上层水时，气泡因温度降低而缩小，重新被溶解而湮没”，部分学生坚持的观点：由于水的“对流”，热水密度小，比冷水“轻”，热水总是浮在冷水的上面，因此之前，热下冷的，教师：从不同角度而言，以上都有一定的科学道理，为了彻底搞清楚这个问题，我们就“水开前的水层温度分布”作进一步探究。我们要准确地验证“之前的水层温度分布”的假设，必须解决两个问题：一是如何定量测定同一烧杯中的水不同水层的温度分布？二是如何观察之前的对流情况以及对流情况的变化？学生 A：在不同深度的水层里面插

8、上温度计，每隔一定时间，一次每个温度计的读数。学生 B：用放大镜将水放大了，就可以观察到它的细微的运动了。学生 C：在水底放一些可以不断被溶解的物质，在水温升高的过程中，物质应不断被溶解随水的对流而向上运动。从而就可以清楚地观察到水的对流情况，也可以反映出对流情况随水温升高而产生的变化。学生 D：我们可以拿两杯加热到不同温度的其中加入易溶解物质，通过物质溶解运动的速度来对比因温度升高而引起的对流的变化。取 A、D 同学的方法组成研究方案，进行实验。3实验探究（1）水层温度分布在大烧杯中，装上约 1000ml 的冷水，置于灯之上，对之缓慢加热，取 4 个温度计，让其中三个温度计的液泡分别浸没在中

9、的上、中、下在三个不同深度，让其中一个温度计直接与烧杯的底部接触。在烧水的过程中，对应于不同的时刻，每一个温度计的读数，为了排除获得的数据的偶然性，反复做五次实验（见表 1）3壶底温度/下层水温度/中层水温度/上层水温度/3833.53536484343.545数据分析结果：表 1 是其中一次实验的数据：我们从水层温度分布示意图（如下图表）可以很清楚地看出数据的规律：室温上升以 80附近这一过程中，容器里的水一直是“上高下低”，水层温度分布示意图11010090807060504030123456789 10但从 80到 100始沸腾这一过程中，容器里的水却是“上低下高”的，而且五次实验的结果

10、都是一样的，即之前，容器里的水层温度先是“上高下低”然后是“上低下高”直至沸腾。这一结果，出乎我们的意料，与我们实验前对之前水层温度的单一假设要么“上高下低”，要么“上低下高”是很不一致的，然而却是事实。（2）水的对流取两个烧杯，各放约 400ml 相同多的水，让其中一杯先烧至70，然后开始烧另一杯水，当一杯水达到约 80时，另一杯水也达到大约 35，同时在两个烧杯中心投入若干粒高锰酸钾，观察水的对流。现象：当容器里的水温较低时，对流运动剧烈，当整个容器里的水温较高时，对流运动不再剧烈，五、分析讨论4温度下层水温度上层水温度534848.550655959607265.566668580808

11、096929190999895.59510410098.598.51051031011001为什么加热过程中，水层温度的分布会发生变化呢？：我们认为，热的不良导体，当容器里的水温度较低时，上层和下层的水温相差较大，对流运动剧烈，对流的结果使得水上层温度较高，下层温度较低，呈现“下热上冷”的现象；当整个容器里水的温度较高时，上层和下层水的温度差就比较小，对流运动不那么剧烈，热传导产生的效果就突显出来了，热传导的结果使得下层水的温度较高，上层水的温度较低，呈现“上热”的现象。2产生烧杯底形成的气泡升到中上层水时被湮没的现象的是什么？：从实验数据分析，产生烧杯底形成的气泡升到中上层水时被湮没的现象，

12、其不是下层水温度较高，而是因为容器底的温度较高，气泡贴在容器底，生成时温度较高，一旦离开容器底，温度就要降低，导致气泡体积缩小，生成的气泡本身就小，在之前就发生“湮没”现象了。六、活动延伸延伸 1：探究0到 4的反常膨胀现象活动要求：学生能够确定出水的温度在 0到 4之间变化时，其体积随温度变化而变化的具体数据。提示：可以将在有刻度的量筒中，温度计，然后把量筒放到冰箱中，让水的温度降到4，并在 4到 0之间逐渐变化，同时不断数据。延伸 2：若在水中加入盐现象会怎样？活动要求：学生能够研究在水中加入盐后，在水层的温度分布是否有变化，其对流情况是否有变化。活动提示：可以通过加盐和不加盐及加不同的盐

13、量的水进行对比，从而研究之前温度的分布和对流情况。七、资料集粹1电灯泡有两种类型：一种称为真空型，在它的泡内部是抽成真空的；另一种称为充气型，在它的泡内充有某种气体。以正确这只电灯泡的类型可以根据气体能通过对流来传递热量的特点设计实验。实验过程如下：点燃电灯，用手触摸灯泡的上方和下方的。如果各个方向上的都同时均匀变热，则说明它们都只接受了灯丝的热辐射，因此这只灯泡是真空型的；如果灯泡的上方比下方的热得快，说明灯泡内气体的对流，因此这只灯泡必定是充气灯泡。（）2太阳光球下面处于对流状态的一个层次，一般认为15 万公里，有人认为更厚，也有人认为薄到约 1 万公里。层内的氢不断电离，增加气体比热，破坏流体静力学平衡，引起气体上升或下降。由于升降很快，流体元几乎处于绝热状态；又由于比热大，在重力场中上升时，流体元的温度就比5周围高，密度小，因浮力而继续上升。流体元一旦下降，温度比周围低，密度大，就继续下降。这样就形成了对流。我们可以把对流层看成是一个巨大的热机，它把从太阳内部核反应所产生的外流能量的一小部分变为对流能量，成为产生诸如黑子、耀斑、日珥以及在日冕和太阳风中其它瞬变现象的动力。因此，太阳对流层的研究，具有非常重要的意义。（）八、练习精选1在空调发明之前，人们经常在睡觉前用装了热水的瓶子暖被窝。为什么要选择热水？参考：热的不良导体