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1、与高温水蒸气有关的初中物理实验组合研究内容摘要：初中物理学中与水蒸气有关的实验较多，这些实验多用玻璃仪器来进行装置，但由于具有实验危险性，至使一些老师就只用多媒体课件来代替实验，影响教学效果。为此，我们通过调查、研究、论证，设计制作了一套多功能的组合实验装置，它不仅克服了玻璃仪器做实验的缺点，还极大地提高了课堂教学效果和效率。关键词：水蒸气 初中物理 实验组合 研究制作漏斗进水管水位计电热管排气管水图1开关S1开关S3开关S2初中物理学中与水蒸气有关的热学实验内容，涉及到初中物理课程标准中的3个一级主题：物质、运动和相互作用、能量；3个二级主题：物质的形态和变化、多种多样的运动形式、能量的转化
2、和转移；7个三级主题，分别是：（1）“能区别固、液和气三种物态”，（2）“了解液体温度计的原理，会测量温度”，（3）“通过实验探究物态变化过程”，（4）“能用水的三态变化解释自然界中的一些水循环现象”（5）“能从生活、自然中的一些简单热现象推测分子的热运动”，（6）“通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化”，（7）“结合实例认识功的概念。知道做功的过程就是能量转化或转移的过程”。根据课程标准的要求，各种版本的教材中，都设计了大量的探究实验，特别是与高温水蒸气相关的实验。这些实验装置一般都是用实验室的玻璃仪器来组装，实验中的高温高压具有很大的危险性，并且有些实
3、验装置很多学校根本就没有。我们通过调查、研究和论证，设计制作了一套专用装置，它具有安全、实用、功能齐全、使用方便等特点。本文对该组合装置作一简单介绍。一 高温水蒸气发生装置：查阅各种版本教材，几乎都是用玻璃仪器烧瓶或大试管来给水加热，烧瓶或试管口塞上带导气管的橡胶塞，再用酒精灯作热源。这种装置方法的主要缺点是：1.一般酒精灯火焰单位时间放出的热量较少，水沸腾时水蒸气产生速度较慢，不易获得高气压的气流而影响实验效果；2.实验时为了提高水蒸气气压，容易发生爆炸而出现安全事故；3.装置不方便，用时较长，影响课堂教学效率。 为了满足上述要求，需要用安全性较高的金属容器，最好是电热式。我们通过调查发现，
4、家用饮水机用的加热装置正好符合实验要求。其功率一般约在350W750W，废旧饮水机上很容易找到这种装置，改变部分元件的用途，加装一个水位计、进水漏斗及开关等，一个高压水蒸气发生装置就完成了。结构如图1所示。使用时，先通过漏斗从进水管向容器内注入适量的水，水量控制在容积的1/32/3，如过多会使沸腾的水从排气管排出，过少则容易烧坏电热管，可通过水位计观察容器内的水量。开关S3处于开启状态，注水后，开关S1关闭，S2打开，接入电源（交流220V）且闭合电源开关，很快（大约2分钟）水就会沸腾起来，高温高压的水蒸气从排气管口排出。二 蒸气轮机模型及发电装置：蒸气轮机是重要的热机之一，广泛应用于火力发电
5、和核电中，实际的蒸气轮机结构复杂，为了让学生了解包括蒸气轮机在内的所有热机的工作原理，理解通过做功，内能可转化为机械能，设计一个用高压水蒸气来驱动叶轮转动的实验是十分必要的。用易拉罐的金属皮作原料，很容易就能制作一个叶轮机模型。热机所获得的机械能不仅可直接用于工农业生产及国防、科技等，还可以将它转化为电能带动发电机发电。在本装置中，可直接将蒸气轮机模型安装在一个微型发电机的轴上，我们通过反复试验，选用一个低压直流马达（如DC12V），来作为微型发电机比较理想，为了防止高温水蒸气对微型发电机的损坏，可用一个易拉罐切成一个圆柱形防护罩，安装在叶轮和电机之间，使电机处于防护罩内。通过测量微型发电机的
6、输出电压约为0.7V，这是不能直接点亮一只小灯泡的，为了获得明显的实验效果，我们利用三极管的放大特性，来启动一个由LED灯泡组成的电路，电路原理如图2所示。其中，电池用五号干电池一对，三极管可用“N9014”，滤波电容可选用“16V 4.7F”电解电容器，LED灯泡可用此类手电筒上的光源及所附电路板。30cm20cm图3+-图2三 室内暖气装置模型：室内暖气设备主要是利用高温水蒸气液化时，要放出热量的原理工作的，是气体液化放热现象在日常生活中的典型应用。学校实验室一般没有这种装置。查阅各种资料，也没有类似实验用产品。经分析论证，我们认为完全可自制一个这样的模型，现就此模型的制作方法介绍如下。散
7、热管可找一段直径约8mm的薄金属管经弯折而成，弯折时为防止金属管的不规则形变，可先在管内装满干细沙，塞紧两端开口，用手慢慢弯折成图3所示的形状，弯折好后将细沙倒出。为增大散热管的散热面积，可用规格为4mm2的铝导线绕在相平行的金属管之间。“房间”模型可用0.3cm的胶合板制作成相应规格的木箱，为便于观察，其箱盖上开一玻璃窗口，顶部钻孔插入一支红水温度计，两侧各钻一孔用来安装散热管的输入、输管口，将制好的散热管安装到箱内并固定。四 其它装置及整体组装：1 喷气管嘴及连接：因喷气管需赖高温高压，因此，管嘴可用适当直径的金属圆珠笔套制作，连接管也要采用赖高温的塑料管，饮水机上的热水管比较合适。因需调
8、节喷气管与叶轮的方向，可制作一个在水平方向和竖直方向都能自由转动的“万向夹”，再用万向夹把喷气管固定在支架上。2 底座及支架：找一个适当大小的塑料盒盖作电热器底座，并将它安装在整个装置的底座上，支架可用胶合板及木方钉成空心板，厚度约3cm，并固定在木质底座上。图43 灯泡发光电路的安装：将电池盒及电路板装在空心支架内的上部，支架后侧对应电池盒位置，开一个可开关的小门，便于安装和更换电池。支架上部正面圆孔处装上LED灯，并安装两个接线柱与微型发电机相连接。4 暖气装置模型的安装和连接：在支架上安装一个可通过转动而收、放的金属连接杆，暖气装置模型的后侧装上两个活动卡，用来固定在金属连接杆上。用一段
9、高温导气管把暖气装置模型的输入管口与电热器上的喷气管相连接。将上述各部分安装好后，可将整个装置作调整、美化，一个多功能的组合实验装置就完成了，整体效果如图4所示。利用该组合装置可进行的实验观察和实验探究主要有：实验一.“白气现象”：生活中的“白气现象”较多，如烧开水时壶嘴放的“白气”、夏天取出的雪糕周围冒出“白气”、冬天人们从嘴里呼出“白气”等等，自然界中的“雾”、“云”等实际上也是人们看到的“白气”。它们实质上并不是“气”，而是“液”，是水蒸气因温度降低而“液化”为小液滴，悬浮在空气中所看到的现象。转动本装置上的“万向夹”，使喷气管嘴水平向外侧，水沸腾后从喷气管嘴喷出水蒸气，可观察到离管嘴较
10、近的位置没有“白气”，它是未被液化的水蒸气，较远一点的位置有大量的“白气”产生，它是已液化的小水滴。实验二.“人造雨”现象：将喷气管口对准一个金属勺子的凹面，且使金属勺子的凹面略向下倾斜，很快就可观察到有大量的水滴从金属勺子上滴下。该现象也可说明自然界中水的循环过程。实验三.汽化要吸热：水的沸腾过程要不间断地给水加热，如果停止加热，水就立即停止沸腾，说明液体沸腾时要吸热；将本装置上的温度计取出来，把玻璃泡放入一杯长时间放置在室内的冷水中，读出其计数，取出温度计，用一块脱脂棉浸上同一杯中的水，再将它包在温度计的玻璃泡上，可观察到其读数会降低。这一现象说明液体蒸发时要吸热。实验四.液化要放热：把排
11、气管连接在“室内暖气装置”的进气管口，通入水蒸气，可观察到“室内”温度上升，并且暖气模型输出管口有大量水滴流出，这是水蒸气液化而产生的。这说明液化过程要放热。通过该现象可给学生介绍室内暖气设备的工作原理。实验五.气体对外做功，可使气体的内能减小（是改变物体内能的方式之一）：高温高压的水蒸气推动蒸气轮机模型的叶轮做功而使叶轮转动，使内能转化为机械能，水蒸气的内能减小温度降低。实验六.探究能量的转移：本装置可通过有关热传递过程探究内能的转移过程。如电热器向水传热、水蒸气向室内暖气装置的散热管传热、散热管向周围空气传热等。通过蒸气轮机模型把机械能传递给微型发电机，说明机械能的转移。由此可归纳出：能量
12、可以从一个物体转移到另一个物体。 实验七.探究能量的转化：本装置中的能量转化主要有：电能转化为内能、内能转化为机械能、机械能转化为电能，电能转化为光能等。从而可归纳出：不同形式的能量之间可以相互发生转化。 总之，本组合装置可进行多项实验观察和实验探究，在实际教学中有着重要应用意义的组合实验装置。通过本项目的研究，不仅使很多不易做的实验变得简单、方便，更能提高课堂教学效率和教学效果。为认真落实新课程标准所提出的各项目标，提供了一个可供参考的实物媒体，并具有重要的推广价值。参考文献：1 全日制义务教育物理课程标准（实验稿）北京师范大学出版社20072 八年级、九年级物理教材，上海科学技术出版社，2002； 3 八年级、九年级物理教材，教育科学出版社，2006
