液化放热实验改进与教学

摘要

液化放热是沪粤版教材中设置的一个探究实验，但该实验存在一定的不足。采取“用多挡位电炉代替酒精灯，加快实验探究进程”“用数显温度计代替实验室温度计，增强温度计读数的可视性”“用数显温度计显示沸水和水蒸气的温度，纠正水蒸气的温度高于沸水的认知误区”“对比两试管中通入等质量的沸水和水蒸气后水温升高的示数差，厘清水蒸气液化放热和热传递放热主次作用”等4个实验改进策略优化原实验装置，能够有效解决原实验的不足。

Graphical abstract

关键词

液化放热 / 物理观念 / 实验教学

“汽化吸热、液化放热”这一基本概念虽然看似简单，但在实际教学中，学生对于液化放热的理解与掌握往往存在一定的难度。目前所用物理教材中的液化放热实验，存在实验时间过长、现象不明显等缺点，学生无法直观感受，不仅影响了学生对知识的正确理解和掌握，也在一定程度上降低了教学的效果和质量。基于上述理念进行实验改进，一方面为今后的物理教学发展提供新的思路和方法，另一方面能够推动物理实验教学的不断进步。

1 教材实验不足

液化放热是2024年沪粤版物理八年级上册第四章第2节“汽化和液化”中的探究实验^［1］，它是学生建构液化放热这一物理观念的基础，也是本节课的教学难点。笔者在教学实践中发现，教材实验装置有以下3点不足：一是酒精灯加热速度慢，影响实验进程；二是水银温度计太小，可视性差，距离稍远一点的学生无法看清现象，不方便读数；三是通入试管中水蒸气的温度远高于B容器中的水温，两者之间存在温度差。学生认为，B容器中水温升高导致热传递是主因，而液化放热是次因。所以，该装置不利于学生有效建构液化放热这一物理观念。

2 创新改进实验装置

2.1 实验材料

40 cm×40 cm木板1块（底部挖10 cm×20 cm的方孔）、40 cm×40 cm带水平线的背胶纸1张、20 cm×40 cm木板1块、直角梯形小木块2块、数显温度计4支、大号试管2支、止水夹3个、500 mL锥形瓶1只、橡胶塞1个、长直角玻璃管3支、短直角玻璃管1支、长直玻璃管1支、50 cm长橡皮管1根、圆形橡胶垫脚4个、热熔胶枪1把，电钻1个、多挡位电炉1个、打孔器1套、剪刀1把、红墨水1瓶。

2.2 制作方法

（1） 用螺丝钉、直角梯形木块将40 cm×40 cm木板（方孔朝下）垂直固定于40 cm×20 cm木板一侧（距边上5 cm），选择40 cm×20 cm木板作为教具底座；在底座的4个角安装4个橡胶垫脚，在竖板的面上贴上带水平线的背胶纸。

（2） 根据放在电炉上锥形瓶口的大致高度，用电钻在40 cm×40 cm竖板上左右两侧的合适位置分别钻8个直径为3 mm的对应小孔，再用塑料扎绳穿过对应的两个小孔分别将两支大号试管固定在竖板上。

（3） 根据直角玻璃管和直玻璃管的粗细，在橡胶塞上分别打好3个孔，再将长短不同的两支直角玻璃管插入橡胶塞上两侧的孔中（长管伸入锥形瓶的水中，短管悬空在水面之上）；沿中间孔先穿入两个数显温度计的探头，调整两个探头的高度，让其中一个探头浸没在锥形瓶的水中，另一个探头悬空在水面之上，再往中间孔中插入直玻璃管，让直玻璃管下端也悬空在水面上；用热熔胶枪密封好橡胶塞上的3个孔，保证装置不漏气。

（4） 剪取两段长度合适的橡皮管，分别连接左右两侧的两支直角玻璃管，另外两支直角玻璃管插入两侧大号试管中，在直玻璃管的上方套上橡皮管，当作出气阀门。

（5） 用热熔胶将4支数显温度计按顺序固定在木板上方，1、4号数显温度计的传感器探头伸入两侧的大号试管中，分别测量左右试管中的水温；2、3号数显温度计分别测量锥形瓶内沸水的温度和锥形瓶内水蒸气的温度。

（6） 将装有水的锥形瓶放在多挡位电炉的上方，塞紧橡胶塞后，调整实验装置各个部分的高度尽量在同一水平线上；电炉电源线从方孔中穿过，并连接到电源。

2.3 实验装置结构

改进创新后的液化放热探究实验装置如图1所示。

3 创新改进装置的应用

3.1 实验步骤

（1） 用止水夹夹住左右两侧的橡皮管，打开直玻璃管上方的橡皮管。

（2） 在锥形瓶中加入400 mL刚烧开的沸水，并在两支大号试管中加入质量相同的红色水，使两试管中的水位一致，分别记下第1、第4号数显温度计的示数。

（3） 塞紧橡胶塞，打开电炉加热；当锥形瓶中的水沸腾后，用止水夹夹住直玻璃管上方的橡皮管；打开右侧的止水夹，让锥形瓶中的高温水蒸气通入右侧的试管中，水蒸气遇到冷水液化成水，右侧试管中的水位逐渐升高，温度也逐渐升高；当右侧试管中水位升高一格时，立即用夹子夹住右侧橡皮管，同时打开直玻璃管上面的止水夹，记下此时第3、第4号数显温度计的末温。

（4） 重新夹上直玻璃管上方橡皮管的止水夹，再轻轻打开左侧橡皮管上的止水夹，调节左侧试管中的进水速度；在气压作用下，左侧试管中的水位升高一格，立即夹住左侧橡皮管的夹子，打开直玻璃管上方橡皮管的夹子，记下此时第1、第2号数显温度计的末温。

（5） 将测得的实验数据录入表1。

（6） 左侧试管通入等质量沸水后水升高的温度为：\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{1}}=\mathrm{9.5}℃；右侧试管通入水蒸气，水蒸气液化放热升高的温度为：\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{2}}=\mathrm{64.6}℃；比较结果为：\mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{2}}\gg \mathrm{\Delta }{T}_{\mathrm{1}}。

3.2 实验结论

分析表格中的数据可知，锥形瓶瓶内水蒸气的温度始终略低于沸水温度，但水蒸气遇冷液化放出的热量远远高于通入等质量沸水放出的热量，故液化放热这一物理规律是正确的，容器中的水温升高的主要原因是水蒸气遇冷液化放热，而热传递是非常次要的因素。

4 结语

利用此套实验教具进行教学有以下优点：①利用数显温度计代替普通温度计，能使实验现象可视化，增强实验效果，缩短实验时间，有效突破了教学的重难点；②利用该实验教具能够纠正学生错用“热传递”当主因来解释实验现象，这就为学生正确建构液化放热的物理观念做好了铺垫；③该实验教具能够帮助学生正确解释为什么被100 ℃的水蒸气烫伤要比被100 ℃的开水烫伤更加严重；④该实验教具的操作性优于教材中的实验，在教师的指导下学生可以亲自进行实验操作，不但能够激发学习兴趣和综合分析能力，更能实现深度学习。

实验改进与教学效果证明，这一教学模式既能帮助学生建构正确的物理规律，促进物理观念的形成，又能培养学生的质疑意识，发展学生的科学思维，激发学生的创新热情。同时，它为学生运用物理观念去解决生活中的实际问题提供了坚实的基础^［2］。

参考文献

[1] 束炳如，何润伟.义务教育教科书沪粤版物理八年级全一册［M］.北京：人民教育出版社，2024.

[2] 张锦标，高传刚.液化放热实验改进［J］.中学物理教学参考，2017，46（01）：64-65.

基金资助

江西省基础教育2022年度课题“基于核心素养培育的初中物理家庭实验开展的实践研究”(AFWL2022-997)

吉安市教研室课题“基于创新实验发展学生物理学科核心素养的实践研究”(2023160)