可以这样探究液体沸腾需要持续吸热吗？

任少铎

厦门市海沧区东孚中学，福建 厦门 361000

物理学是一门以实验为基础的学科，实验可以检验理论，但实验本身应当是严谨和科学的，否则实验就没有“探究”或“检验”的功效了。“探究水沸腾的条件”是初中阶段重要的热学实验，然而当前教学中的主流实验方案却不够合理、科学。部分中考试题的创新方案亦存在类似问题。这对学生科学思维、科学探究素养的培育造成了不良的影响。

1 当前主流方案分析

初中阶段，通常认为液体沸腾的条件是：达到沸点，持续吸热。“探究水沸腾的条件”的重点是“探究水沸腾是否要持续吸热”。

水沸腾需要同时满足“达到沸点”和“持续吸热”两个条件。探究水沸腾是否需要“持续吸热”，应当先满足“达到沸点”这一条件，即：先加热使水沸腾，接着使水温保持在沸点，然后让水无法吸热，观察水是否还能沸腾，倘若水不能沸腾，就说明水沸腾需要“持续吸热”。

为了说明沸腾需要满足“持续吸热”这一条件，当前教学中广泛采用的方案主要有两种，一种是“沸腾后移走酒精灯或烧杯，观察水是否还能继续沸腾”，如图1所示；另一种是“用水浴法给试管加热，观察试管内的水能否沸腾”，如图2所示。然而，这两种方案都不够严谨。

图1 移走酒精灯

图2 水浴法加热

“移走酒精灯或烧杯”的方案不满足“达到沸点”这一条件。在水沸腾后仅仅“移走酒精灯或烧杯”，水温也会立刻下降到沸点以下，此时“达到沸点”这一条件就不成立了，不能说明就是“无法持续吸热”导致了水停止沸腾。事实上，此时水不能继续沸腾的原因其实是“没有达到沸点”。实验中，停止加热后，由于石棉网或烧杯底的温度仍高于沸点，水可以继续沸腾一小会儿，之后就会停止沸腾。然而，水停止沸腾后温度计的示数却没有立刻下降，不少教师就认为此时水温仍是沸点，并由此现象得出：水沸腾需要“持续吸热”。但这样并不正确，因为即使温度计示数没有立刻下降，但水温（至少是局部水温）肯定是下降的，除非此时环境温度也达到了水的沸点且周围空气处于饱和蒸气压状态，否则离开热源后水就会因为汽化和向空气散热而降温。至于温度计示数没有立刻下降，有两个方面的原因。一方面，温度计的玻璃泡一般处于水的中间，水温下降是从局部开始的，蔓延到中间需要一定的时间；另一方面，温度计显示被测物体的温度具有一定的“延时性”，因为温度计内的液体与被测物体达到热平衡状态需要时间，正如用水银体温计测体温需要等待体温计与身体接触一定的时间才能读数一样。

“用水浴法给试管加热”的方案也不满足“达到沸点”这一条件，因为试管内的水根本达不到沸点。实际上，试管内的水也要蒸发，蒸发需要吸热，所以最终试管内的水温会比烧杯内的水温低一些。笔者经过多次实验发现，当烧杯内的水沸腾时，试管内的水温度会比烧杯内的水温度低3℃～4℃，这个温差使得试管会从烧杯内的水中吸热，吸收的热量刚好用于维持试管内水的蒸发［1］。

因此，当前的两种主流方案在探究水沸腾需要满足“持续吸热”这一条件时，都没有满足“达到沸点”这一条件，所以都不够严谨和科学。

2 对试题中创新方案的剖析

一些试题认识到了“水浴法”探究方案的缺点，并设计创新方案改进实验，可惜的是试题中设计的创新方案仍存在科学性问题，无法达成预期目的。

2.1 试题呈现

（某地中考真题）如图3为验证沸腾条件的实验装置……

图3 中考真题图

（1）……

（2）……

（3）18分钟以后，为什么小烧杯中水的温度保持94℃稳定，但又低于大烧杯中水的温度（100℃）？请分析其原因。

（4）为了验证液体的沸腾除了要满足温度达到沸点，还需要继续吸热的条件，同学们经过讨论，认为只需改进原装置即可。如图4所示的改进方案中，_______更合理。

图4 试题的改进方案

【答案分析】本题第（3）问的答案为：小烧杯内的水吸收的热量与散失的热量处于平衡状态，不能使小烧杯内的水温再升高。第（4）问的答案为：方案2。

2.2 试题中创新方案分析

题目第（3）问的设计非常严谨，关注到了用“水浴法”探究液体沸腾条件的不严谨之处，引导学生严谨地分析和推理，明确了小烧杯内的水要蒸发吸热，小烧杯内的水只有与大烧杯内的水有温度差时才能维持自己的蒸发，这种设计有利于学生科学思维和科学探究素养的发展。遗憾的是，题目第（4）问的两种创新方案都无法达到目的。

对于方案1，需要分为两种情况讨论。第一种情况，盖子没有将小烧杯密封。此时小烧杯内还会有水蒸气逃逸到小烧杯外面（净蒸发），小烧杯内的水温还会低于大烧杯内的水温（因为要维持小烧杯内水的蒸发），尽管可以缩小与大烧杯内水的温差，但小烧杯内的水温仍然达不到沸点。实际上，盖子不仅会减慢汽化，还会使小烧杯内的气压变大从而使小烧杯内的水沸点略微升高，所以小烧杯内的水无论如何都达不到沸点。第二种情况，盖子将小烧杯彻底密封。假设外界为标准大气压，那么随着加热的进行，小烧杯内的气压会变大，水的沸点会升高。虽然小烧杯内的水温会升高到几乎接近大烧杯内的水温，但仍无法达到自己的沸点（因为沸点升高了很多）。不难发现，方案1的两种情况小烧杯内的水都达不到自己的沸点，又如何验证液体的沸腾除了要满足温度达到沸点，还需要持续吸热的条件？所以方案1不能达到目的。

对于方案2，也需要分为两种情况讨论。第一种情况，盖子没有将大烧杯密封。加热时大、小烧杯内的水蒸气还是会逃逸出去（净蒸发），又由于小烧杯内的水无法与大烧杯内的水对流，小烧杯内的水温仍追不上大烧杯内的水温（因为要维持小烧杯内的蒸发），只是会缩小差距而已，小烧杯内的水温还是达不到沸点；第二种情况，盖子将大烧杯彻底密封。随着加热的进行，大烧杯内的气压也会变大，整个大、小烧杯内水的沸点都会升高。尚且不谈水温是否能达到沸点，随着加热的进行大烧杯一定会爆炸，就像堵塞阀门的高压锅爆炸一样。这种情况已经不是方案是否能够完成探究目的的问题了，而是在学生实验中一定不能有这种不安全的操作。不难发现，方案2的两种情况中，第一种情况小烧杯内的水达不到自己的沸点，第二种情况因有巨大的安全隐患绝不可行。所以，方案2也不能达到目的。

3 思考与教学建议

目前，初中阶段要通过实验严谨地证明水沸腾需要“持续吸热”是比较困难的，因为要精确地控制水温在沸点且不能吸热，这种要求在初中阶段几乎不能在演示实验或学生实验中实现。笔者认为，物理学是一门严谨的学科，讲究科学性和严谨性，要用严谨的实验去探究物理规律。对于水沸腾条件的讲解，笔者更倾向于用理论分析，即：由于沸腾时水会剧烈“翻滚”和汽化，这个过程需要外界提供能量，所以水沸腾会持续吸热用于维持“翻滚”和汽化。尽管没有实验探究总显得没有“物理味”，但用不严谨的实验更不可取。

当前，一线教学中和各地中考试题中还广泛存在用不严谨的方案“探究水沸腾是否需要持续吸热”的情况，这对彰显物理学科的科学性和严谨性是非常不利的，对于学生科学思维、科学探究素养的培育是值得商榷的。作为教师，在进行实验时，要关注实验本身是否科学，倘若实验本身就不严谨、不科学，那么就不能用于探究或验证物理规律，否则会严重误导学生，得不偿失。即使无法找到合适的实验去探究或验证，也不能用错误的实验去“误导”学生，用理论解释也并非一无是处，只要理论正确、严密且符合学生的认知结构和思维水平，同样可以帮助学生理解知识，发展素养。