奇妙的“水上升”趣味实验探究

张一驰　仲伟康　陈　晨

(1. 南京师范大学教师教育学院，江苏　南京　210097；

2. 北京师范大学物理学系，北京　100875)



·实验研究·

奇妙的“水上升”趣味实验探究

张一驰1仲伟康2陈晨1

(1. 南京师范大学教师教育学院，江苏南京210097；

2. 北京师范大学物理学系，北京100875)

摘要：本文介绍了一个有趣的物理现象——“水上升”，通过观察并设计系列实验解释现象，探究相关因素对其的影响，并给出可能的理论解释.本文以高中热学为基础，以实验探究为主要方法，结合定性分析进行探究，为教师在进行相关知识教学的同时提供丰富的实验素材，同时也对学生提升自己的物理实验技能和自主探究能力提供参考和借鉴.

关键词：水上升；趣味实验；实验探究

1引言

“水上升实验”取自2013年国际青年物理学家锦标赛(IYPT——International Youth Physics Tournament)，现象奇妙且取材简单，极具趣味性和探究性，非常适合中学生课外探究.在激发学生学习热情的同时，培养他们的物理核心素养.

2现象描述

赛题是这样描述的：在盛水的碟子中间垂直放置一根蜡烛，点燃蜡烛，然后罩上一个透明的烧杯，一段时间后，碟子中的水面的高度会发生变化.笔者按照赛题的要求进行实验，重点观察内液面，依次看到的现象如表1.

表1　实验现象

通过实验发现：在实验过程中内液面有下降和升高过程，而且其升降速度不一，最终高于外液面.

3影响因素的理论分析和实验探究

笔者将影响整个实验过程的因素分为两大部分：

(1) 气体化学反应因素：表现为诸如二氧化碳、氧气、水蒸气、少量一氧化碳的产生和二氧化碳等气体的吸收等，最终导致内外气压不同.

(2) 热力学因素：主要为由气体温度T变化导致的气体压强P、体积V的变化.

3.1　化学反应因素的探究

3.1.1实验设计

针对化学反应因素的影响，笔者设计了封闭实验.罩上一个透明的烧杯，然后用激光器来加热带火柴头的蜡烛最终达到燃烧效果.

3.1.2实验器材

封闭倒置的瓶子、激光器、蜡烛.

3.1.3实验分析

经过分析，发现点燃瞬间液面有晃动，但最终内外液面高度基本无变化，呈持平状态.点燃瞬间因为温度上升过快导致气压变化较大，使得液体有一定振动.随后会发生一系列气体化学变化，诸如二氧化碳、氧气、水蒸气、少量一氧化碳的产生和二氧化碳等气体的吸收等，但影响极小，使得最终内外液面高度基本无变化，呈持平状态.

通过进一步文献阅读发现，已经有研究人员做了同样的实验证明了以上的结果.其实验机理为用镍铬合金丝制作的人工灯芯，对其通电，使其加热，当热达到蜡烛燃点时，蜡烛被点燃，实验和结果如图1和图2所示.

3.1.4实验结论

内部气体化学反应对最后内液面升高的影响极其小，几乎可以忽略，且该结论在正常空气情况下具有普适性.

3.2　热力学因素的探究

3.2.1刚罩上烧杯内液面下降的讨论

刚罩上烧杯，内液面下降，意味着烧杯内的压强在增大，将液面下压.笔者采用两种假设来解释.

假设一：在没有蜡烛燃烧的情况下，将烧杯倒扣在水槽中，水面也会发生下降的情况.

假设二：蜡烛没有熄灭，一直在加热空气，使得瓶内压强增大.

对于假设一，实验结果证明了猜想的正确.而对于假设二则认为蜡烛没有熄灭，一直在加热空气，温度升高，压强上升.但根据这种猜想结果应该为：一开始水面就下降，并且在蜡烛熄灭以前一直都是下降.而实际情况为：水面先下降，且在蜡烛熄灭之前，水面就开始有所上升.

原因猜测：罩上烧杯后，热空气膨胀上升，当它上升遇到杯壁以及杯子顶部，遇冷时，温度下降，压强下降.一开始，上升遇冷的空气量较少，增加的压强大于减少的，总体表现出杯内压强增加，水面下降.

3.2.2罩上烧杯后的情况讨论

罩上烧杯后分为三个阶段，具体如下：

阶段一：罩上之后一段时间，液面缓慢上升.这个阶段与3.2.1中的假设二相悖，但笔者提出了一种解决的猜想，那么这个猜想是否正确？笔者设计了一个简单的实验即热杯实验来验证，实验的对照如下.

常规组：不对烧杯进行任何处理.

实验组：盖上烧杯前将其用100℃热水预热，这样空气受热膨胀上升之后遇到玻璃也是热的.

实验数据如表2.

表2　热杯实验数据

通过热杯实验的数据可以发现，熄灭时间更短，且火焰减弱前内液面基本不上升，这点验证了我们的猜想.有趣的现象是，对照组往往快速熄灭并且液面瞬间上升，且最终高度反而更高.

阶段二：在蜡烛熄灭的瞬间水面快速上升

这个过程相对容易理解，熄灭瞬间热源消失，温度大幅度降低，根据理想气体状态，方程可以得出结论：在这个时候，压强也大幅度降低，导致水面迅速上升.

阶段三：蜡烛熄灭后水面继续缓慢上升

随后的过程中，烧杯内的温度逐渐降低恢复到室温.压强也就逐渐在减小.这个过程是逐渐且连续的，所以水在这个阶段的上升较熄灭瞬间是缓慢的.至此，我们定性解释了内液面的上升、降低及其快慢的问题.

3.2.3最终状态的分析和解释

以上的分析虽然定性解释了内液面的上升、降低及其快慢的问题.却还不足以说明此时内液面会高于外液面.

比较笔者的实验和之前的封闭实验或者人工灯芯实验，操作上最大的不同就是，人工灯芯实验是在蜡烛点燃之前就把量筒放置好了.

由此可见，放下烧杯时对最后内液面上升具有决定性的影响.随着氧气的消耗，产生的二氧化碳溶于水，产生的水蒸气冷凝，导致最终瓶内压强减小.该部分已被证明属于次要因素.也就是说，扣下烧杯时，空气加热膨胀，将大量空气分子挤出瓶内，当冷却后瓶内压强减小，该原因应该是主要因素.

探究一：蜡烛数量的变化对实验的影响，实验结果如表3、图3.

表3　蜡烛数量对实验影响

图3　蜡烛数量对实验影响

实验表明：蜡烛越多，内液面升高越多.蜡烛数量最大影响了热源强度，可以认为公式中Δt增大，增强了热对流，从而使得内液面上升高度增大，符合预期.

探究二：蜡烛高低对实验的影响,实验结果如表4、图4.

表4　蜡烛高度对实验影响

图4　蜡烛高度对实验影响

实验表明：蜡烛高度越高，水面上升得越少.蜡烛高度最大影响了热源与杯口处的距离，该实验同样可以论证Δt增大，使得内液面上升高度增大，符合预期.

探究三：烧杯的容积对实验的影响，实验结果如表5、图5.

表5　烧杯容积对实验影响

图5　烧杯容积对实验影响

实验表明：容积越大，内液面上升高度越高，水上升的体积也就越大.杯子的体积影响了热源与杯口处的热对流的半径，随着内径D的增大，使得内液面上升高度增大，上升体积增大，同样符合预期.

3.3　实验结论

(1) 内液面先下降过程：烧杯盖下，液体占据一定体积，体积减小，压强增加；蜡烛加热空气增加的压强大于空气遇冷减小的压强，总的来说杯内压强增加.

(2) 内液面上升：加热的空气增加的压强小于遇冷减小的压强，总的来说杯内压强减小；蜡烛熄灭时水面上升速度快：温度大幅度降低，压强也大幅度降低；蜡烛熄灭后水面稳步上升：温度逐渐降回室温，液面逐渐升高.

(3) 内液面最终高于外液面：盖下烧杯时，杯内空气加热膨胀，此时杯内的空气的压强小于同温度下原来杯内的气体压强.

4小结

在整个探究过程中，笔者立足高中物理的基本知识，基于以实验探究和定性分析相结合的模式，涉及少量的定量分析，且实验结果与理论预期基本一致，从而很好地揭示了实验现象的本质.

参考文献：

[1] Francisco Vera, Rodrigo Rivera, César Núez. Burning a candle in a vessel, a simple experiment with a long history. Sci & Educ 20, 881-893 (2011) .

[2] 秦允豪.热学 [M] .北京：高等教育出版社，2002.