“温度对扩散的影响”演示实验的改进

摘要：分析了教材和文献中“温度对扩散的影响”实验存在的弊端，并提出了“吸墨法”演示扩散现象，即利用注射器吸入墨水在下端与冷水和热水接触，通过墨水在冷热水中的不同扩散速度演示温度对扩散现象的影响，避免了重力对演示实验效果的影响。
　　
　　关键词：热运动；温度；扩散
　　
　　教育科学出版社出版的义务教育课程标准实验教科书《物理》(2005年6月第1版，九年级上册)，在“内能和热量”中，有“温度对扩散的影响”探究实验。教材介绍：把2滴蓝墨水同时滴入盛冷水和热水的2个玻璃杯中，比较2杯水中墨水扩散的快慢。人教版义务教育课程标准实验教科书《物理》，在“分子热运动”里把此实验列为“演示”，现行人教版全日制高级中学教科书《物理》第二册(必修加选修)，在“分子的热运动”中也提到此实验(下称滴墨法)。在以前的九年义务教育三年制初级中学各种版本的物理教科书和20世纪80年代人教版初级中学物理教科书中，均用此实验来说明：物体的温度越高，分子的无规则运动越激烈。
　　
　　1实验仪器的改进
　　
　　1.1先前的仪器改进
　　
　　文献[1]指出：实验中，采用向烧杯中滴加墨水的方法，由于重力作用，墨水易引起水面波动，也会使学生误认为液体扩散时重力也在起作用；因墨水在烧杯内几乎是无规则扩散，且又是演示实验，难以使所有学生都看清水呈现均匀蓝色的过程，只看到热杯内水先变均匀。为了消除水面的波动和重力的作用，文献[1]采用具支试管代替烧杯的办法对此实验进行改进，如图1所示。
　　

　　经仔细分析改进后的装置，可以发现此装置与原实验并无本质区别，只是把烧杯的口缩小成支管，把烧杯的腹部向左扩放成试管，虽然从支管滴墨能减小水面的波动，但从水面的上方滴墨，还不能消除学生认为“重力也在起作用”的“误会”。
　　
　　1.2实验仪器的再改进
　　
　　1)为了能确实消除学生认为“重力也在起作用”的“误会”，笔者把“滴墨法”改成“吸墨法”进行实验。实验装置如图2所示。将粗铁丝弯折成宽20cm、高15cm的三边线框，线框上边弯折2个宽3.5cm、深4cm的缺口。用1块木板作底座，在木板上相距20cm处钻2个小孔，再把线框的2条竖边分别插入孔内，就制成了可固定2支注射器的支撑架。在实验中，用2支50mL的注射器分别抽取40mL的冷水(室温水200C左右)和热水(刚烧开)，再通过针头套接管从瓶盖中各吸取1mL左右的红墨水，然后如图2固定装置，观察实验现象。
　　
　　2)图3是吸墨法实验中不同时间的对比照片，图中左边筒内是热水，右边筒内是冷水。开始时墨水从热水底部成塔形缓慢上升，颜色渐淡，20min后清水的颜色变成淡红色，但还能隐约看到里面墨水扩散形成的塔形体，大部分深色墨水乃留在筒底；在经过1节课的时间后，墨水和冷水间的分界面还是很清晰，似乎难于看出它们是否发生了扩散运动，而在滴墨法中，只要几分钟整杯热水就会均匀变色；一节课后整杯冷水已均匀变色。
　　

　　3)塔形的成因.墨水在热水里，由于筒内热水向外界放热，使筒壁附近的热水温度总是低于筒中心的热水温度，而与温度高的热水接触的墨水,其分子的热运动更激烈，与温度低的热水接触的墨水，其分子的热运动较缓和，所以在注射器中心处的墨水比周围墨水的扩散速度更大，因此墨水在热水里会成塔形扩散。墨水在冷水里与外界处于热平衡状态，所以筒内冷水温度处处相同，因此，与冷水各处接触的墨水，其分子的热运动也大体相同，所以墨水在冷水里成柱形扩散，这与实验现象是相符的。墨水在冷、热水里扩散过程中的形态，可说明分子的热运动是实验中清水变色的主要因素。
　　
　　2注意事项
　　
　　1)当注射器的针头套接管插入墨水里后，开始吸墨时，应先向下压活塞，把套接管内的空气排除后再吸墨，否则，在吸墨时会有空气泡进入筒内，使墨

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