半边沸沸汤汤 一杯清水平平——居家探究“水浴法”问题

欧阳郑好 张 蓉

(重庆第一双语学校,重庆 401122)

1 问题提出

在一次考试中，笔者遇到了一道热学填空题，题目如下:如图1所示，两个完全相同的的玻璃杯A和B，A中装有一些水，B倒扣着放入盛水的容器中，用酒精灯给容器中的水加热，在水沸腾后继续加热的过程中，A杯中的水沸腾，B中的水沸腾(两空均选填“能”或“不能”)。

图1

参考答案为：不能，不能。

这道题是考查了沸腾的条件、改变气压可以改变沸点，水沸腾的条件是达到沸点和继续吸热，二者缺一不可；水的沸点会随着压强的增大而升高。A中水温能达到沸点，但不能继续吸热，所以不能沸腾；B中气压增大，水的沸点升高，水温达不到沸点，所以不能沸腾。虽然试题答案较为明确，却引发了笔者的思考，产生了疑问：为什么A、B两杯中的水不能沸腾？事实上是不是这样？为了找到真相，知其所以然，笔者决定在家中做实验，探究这道题背后的物理原理。

2 实验探究

2.1 A杯水的实验探究

实验器材：一只透明玻璃杯、一口锅(足够深)、水、灶台、铁架台。

实验设计：(1) 在锅中加入足够深的水，在玻璃杯中盛入水，并使玻璃杯可漂浮在锅中，且保证杯底不与锅底接触；用铁架台固定玻璃杯，使玻璃杯不与锅沿接触；(2) 开火加热，直至沸腾并再加热足够长的时间，再关火。

注意事项：(1) 玻璃杯不与锅沿、锅底接触，钢制的锅在加热时温度高于锅中水的沸点，如果相互接触，高温的锅就会将内能通过热传导转移给玻璃杯中的水，可能会因此影响实验结果；(2) 在水沸腾之后，将灶台的火力调小，不能使水汽化过程太剧烈，否则在持续加热时会有大水泡破裂跳入杯中，并且锅中的水会很快蒸发，不易观察现象。

实验现象：锅中的水已经沸腾了一段足够长的时间了，但玻璃杯中的水仍没有沸腾，在杯底有大量的小气泡附着。

实验结论：利用“水浴法”加热无法使正放的杯子A中的水沸腾。

实验思考：物质的沸腾有两个必要条件：(1) 该物质的温度要达到其沸点；(2) 该物质要持续吸热。物质内能的传递总是从高温物体传向低温物体，该实验过程中，锅中的水在达到沸点后因为与被持续加热的锅接触，接收到来自锅底的内能，所以可以持续地沸腾；在玻璃杯A中的水，通过吸收杯子外面热水传递给玻璃杯的热量，达到了沸点，但此时杯外沸水、玻璃杯、杯中热水温度均相同，而杯外的水在持续的沸腾过程中并不会再升温，所以此时三个物体之间不会再发生热传递，杯中的水无法达成沸腾的第(2) 个条件，因此不能沸腾。

2.2 B杯水的实验探究

2.2.1 初步进行实验探究，发现的新问题

实验初步尝试，铁架台在实验中“创业未半而中道崩殂”，所以固定倒置的玻璃杯成为实验亟待解决的问题。杯中气压过大，无法使杯中水位稳定，很难达成与题目中B杯内外水面相平的条件。

问题解决：第一次实验在杯中加入更多水使其稳定，将杯子直接倒置在锅中，杯口碰到了锅底；第二、三次实验用绳子和筷子组装了一个简易实验固定装置，以固定好玻璃杯，提前在玻璃杯中加水，正放玻璃杯，在水位处用记号笔做上记号，用原装杯的盖子盖上，倒置放入水中，然后在水下打开杯盖，观察液面高低，决定加水或倒水，每操作一次用记号笔标记一次，直至杯内外水位持平。

2.2.2 第一次实验

实验器材：一只玻璃杯、一口锅(足够深)、水、玻璃杯盖、灶台。

实验设计：(1)在锅中加入足量的水，将杯子直接倒置在锅中，杯口碰到锅底；多次操作使倒置放入锅中的已注水的玻璃杯的杯中水位与杯外水位持平；(2)开火加热，直至锅内杯外的水沸腾一段足够长时间，观察实验现象。

实验现象：在加热过程中，B杯中水位明显下降，下降到某位置时锅外水沸腾。继续加热一段时间，B杯中的水沸腾，沸腾剧烈程度远不如杯外的水。关火冷却一段时间后，B杯中水位回到原定位置。

实验反思：与预想中的效果和结果不一样，也许需要改进实验。问题应该出现在与原题相比唯一的不同之处：玻璃杯口与锅的接触与否。

2.2.3 第二次实验

图2

笔者用绳子和筷子制作成简易固定装置(图2)，用绳子牢牢系在杯体上。从两个不同方向插入筷子，确保绳子不会松动。将其置于锅上，可以看到杯口不与锅底接触。

实验设计：(1)在锅中加入足量的水，将杯子用上述简易装置固定好，使杯内外液面相平；(2)开火加热，直至锅内杯外水沸腾一段时间，观察现象。

实验现象：在加热过程中，B杯中的水位明显下降。锅外水沸腾时，玻璃杯中水没有沸腾。再持续加热，玻璃杯中的水被全部压出，玻璃杯中已没有水，杯外有较大的气泡冒出，关火一段时间后，杯中充满了水，并且杯内水面比锅外水面高出许多。

实验反思：为了让玻璃杯中的水不会(或不会过早)排净，需要提高杯内水位，以减少杯中空气，毕竟空气的膨胀也是有限的。

2.2.4 第三次实验

相较于第二次实验，做了以下改进：加高杯内外水位，使杯中残留空气较少，延长加热时间。

实验现象：锅内水沸腾后，B杯水位明显下降，杯中水不会沸腾。

实验总结：B杯中水之所以没有沸腾，是因为在加热过程中杯子内的空气会受热膨胀，从而使杯中的气压增大(杯中气压=杯外气压+杯内外水的压强差)，同一物质的沸点会随气压的增大而增大。此时杯外水达到沸点，锅内的水虽然持续吸热、沸腾，但是温度却不会上升。而杯子、杯中水、杯外水的温度却已经相同了，杯中水不会吸热，不会进一步升温，而它的沸点又略高于锅外的水，因此不会沸腾。

2.2.5 第四次实验

在第三次实验的基础上，锅内水沸腾后，杯中水不沸腾。关火后，待锅内水刚停止沸腾后，笔者猜想如果缓慢在杯子上面倒少许冷水，杯内气体温度降低，气体压强减小，可以观察到杯中水面上升，略高于杯外水面，使得杯内水的沸点降低，杯内水就会沸腾，这也是演示沸点与气压有关的“喷泉”实验的原理。可是意料之外的是杯中水并没有沸腾，而且骤冷使得玻璃杯炸裂了。

3 学生感悟

通过这次对习题的反思，经过了提出问题、设计方案、准备和改进器材、进行实验、观察现象、反思总结的过程，而后进一步改进、拓展实验，经历困难之后终于真正解决问题，加深了对物理知识的理解和应用，加深了对科学探究七个要素的理解领悟。也真正明白了从书本上得到的知识终归是浅薄的，很多时候自己想着“我明白了”，其实未能理解知识的真谛。想要真正理解书中的深刻道理，必须亲身去实践，方能学思结合，学做结合，学以致用，学有所成，正如宋代陆游在《冬夜读书示子聿》中所说：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

通过课外实验对试题进行研究，还认识到试题命制的理想设计与实际情况之间的差异：(1)关于杯子的形状，实验中用的是如图2所示的杯子，题目中的是向外开口的玻璃杯；(2)锅内水沸腾后，火力大小的控制；(3)在探究B杯水的第二次实验中，由于加热时B杯中水位明显下降，锅外水沸腾时，玻璃杯中的水被全部压出，玻璃杯中已没有水……通过 这次实验探究，明白了想象和现实有着太多的不一样，思考在很多时候是不能代替实践的。

自己今后还要在学习、生活、社会实践中，多多观察物理现象，提出有价值的问题，和同学、老师、家人一起，多做课内外实验探究，经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力，为做有社会责任感的公民奠定基础。

非常感谢张蓉老师，是她的鼓励支持，促使了我进行课外实验探究并写出本文，让我得到体验、反思和很多收获，也很好地感受到了老师对我的关心、关爱和指导，我会好好学习，不辜负她的期待。还要感谢我的妈妈，在实验探究中，她充当着我的助手，如果没有她，我很难完成实验的操作，也要感谢她为我提供实验思路，提出有益的问题。

4 教师点评

该生能从一道物理试题中质疑创新，提出问题，并且能在家中进行实验，克服困难，不断总结、改进，还能拓展探究题目之外的问题(B杯的第四次实验)，经历科学探究过程，反思实验学习过程，写出本文，对于一个初中生来说，是非常难能可贵的，学生在提出问题、观察、思维、动手、写作、人际交流等方面的能力得到了较好发展。这次实验探究和论文撰写，还融洽了母子感情，也增加了老师、学生、家长之间的相互沟通和理解。一个学生善于观察，勤于思考，勇于实践，不断反思，不仅仅能学好物理，也能学好其他学科，还能提高自己的综合素养，定能成为栋梁之材。