課題3研究水沸騰前水層溫度分布的實(shí)驗(yàn)

1、課題 3：研究水沸騰前水層溫度分布的實(shí)驗(yàn)一、內(nèi)容解讀物質(zhì)主體下第一個(gè)主體“物質(zhì)的形態(tài)和變化”第四個(gè)三級(jí)主體要求能說(shuō)出生活環(huán)境中常見(jiàn)的溫度值。了解液體溫度計(jì)的工作原理。會(huì)測(cè)量溫度。嘗試對(duì)環(huán)境溫度的見(jiàn)解。該標(biāo)準(zhǔn)中的第一個(gè)要求是要學(xué)生能說(shuō)出生活環(huán)境中常見(jiàn)溫度值。第二個(gè)要求是了解液體溫度計(jì)的工作原理。如，知道常見(jiàn)溫度計(jì)是根據(jù) 、煤油或等液體的熱脹冷縮原理制成的等等。第三點(diǎn)是要求學(xué)生會(huì)測(cè)量溫度。這是關(guān)于基本技能方面的要求，屬于操作水平。學(xué)生必須會(huì)正確操作，能那些是錯(cuò)誤的操作。第四點(diǎn)是要求學(xué)生有關(guān)注環(huán)境溫度的意識(shí)，并要求學(xué)生嘗試對(duì)環(huán)境溫度的變化發(fā)表的見(jiàn)解。該標(biāo)準(zhǔn)有利于培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注科學(xué)技術(shù)對(duì)人類生存環(huán)境的影

2、響的意識(shí)，以便其樹(shù)立正確的科學(xué)觀。1課題目標(biāo)（1）了解加熱的過(guò)程中溫度的變化，以及對(duì)流對(duì)水溫的影響。（2）能以圖和表的形式，歸納觀察與數(shù)據(jù)；在觀測(cè)值范圍內(nèi)做出補(bǔ)充；闡釋觀察與數(shù)據(jù)。（3）根據(jù)觀察與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)假設(shè)；在解答科學(xué)問(wèn)題中，運(yùn)用數(shù)學(xué)關(guān)系。2背景描述熱量是由高溫物體向低溫物體傳遞的熱能的多少。熱傳遞有三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。在傳導(dǎo)過(guò)程中，熱由物體的一個(gè)傳遞到另一個(gè)，而物質(zhì)本身并不運(yùn)動(dòng)。想象一下一只金屬湯匙正放在電爐上的鍋里加熱，做緩慢運(yùn)動(dòng)的鐵鍋里的與快速運(yùn)動(dòng)的電爐絲里的發(fā)生了碰撞，通過(guò)熱傳遞，那些緩慢運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速率增大了。接下來(lái)，鐵鍋中的開(kāi)始碰撞水，水又與湯匙一端的發(fā)生碰撞。隨著運(yùn)

3、動(dòng)速率的增大，湯匙變得越來(lái)越燙。這一過(guò)程將持續(xù)到整個(gè)湯匙都變得燙手為止。就像圖中的馬掌，隨著熱從火中轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)，馬掌變得通紅。這里，熱是通過(guò)傳導(dǎo)的方式傳遞到馬掌上的。要是你仔細(xì)觀察正用爐子加熱的一壺?zé)崴?，你?huì)發(fā)現(xiàn)壺中的運(yùn)動(dòng)，這就是對(duì)流。對(duì)流是水熱傳遞的式。在流體（液體或氣體）中，熱傳遞主要是通過(guò)液體的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鍋底的水受熱后，運(yùn)動(dòng)速度增大，并開(kāi)始往上升，結(jié)果鍋底部分水的密度變得越來(lái)越小。在前面的知道中我們學(xué)到，密度小的流體將漂浮在密度大的流體上面。這樣，在較熱的這部分水往上升的同時(shí)，周?chē)切┫鄬?duì)較冷的水將填補(bǔ)它們的位置，從而形成了的對(duì)流現(xiàn)象。1輻射是能量通過(guò)電磁波轉(zhuǎn)移的式。因?yàn)闊崃靠梢酝ㄟ^(guò)輻射

4、傳遞，因此你能感受到幾米之外的篝火或臺(tái)燈散發(fā)來(lái)的熱。溫度計(jì)的原理二、材料器具1水、高錳酸鉀、石棉網(wǎng)、2燒杯（1000ml 一個(gè)、400ml 兩個(gè)）、燈、支架、溫度計(jì)（4 支）三、教學(xué)建議通常要實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證假設(shè)，就得選擇邏輯地證明假設(shè)的步驟，這時(shí)，教師就要策劃妥當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，而不是僅僅安排并操作一連串的實(shí)驗(yàn)裝置。在本實(shí)驗(yàn)中，要準(zhǔn)確地驗(yàn)證“之間的水層溫度分布”的假設(shè)，必須做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一是定量測(cè)定同一燒杯中的水不同水層的溫度分布，二是定性比較兩個(gè)燒杯的水不同溫度的對(duì)流的情況。學(xué)生倘若既能定量測(cè)定同一燒杯的水不同水層的溫度分布，又能在這只燒杯中投入若干粒高錳酸鉀，觀察到不同溫度水的對(duì)流情況，當(dāng)然是非常好，

5、倘若學(xué)生不理解實(shí)驗(yàn)的操作同問(wèn)題假設(shè)的關(guān)系，那么這種操作是無(wú)意義的，無(wú)內(nèi)容的。建議做好兩個(gè)鋪墊：一是讓學(xué)生在研究前熟知熱量在液體中傳遞的形式對(duì)流及氣球、肥皂泡等破裂的；二是做好探索引導(dǎo)中的實(shí)驗(yàn)，讓沸騰前的氣泡湮沒(méi)現(xiàn)象清晰化。提醒：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高錳酸鉀不易放得太多，大約三、四粒就可以了學(xué)生對(duì)水沸騰前水層的溫度分布情況了解之后，也許會(huì)自然地想到另一個(gè)問(wèn)題：探究0到 4的反常膨脹現(xiàn)象；也許還會(huì)進(jìn)一步考慮，水沸騰前水層的溫度分布情況是否適應(yīng)于水之外的其他所有液體？若在水中加入鹽現(xiàn)象會(huì)怎樣？若改變大氣壓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又怎樣？他們會(huì)進(jìn)一步探討、研究。這時(shí)，教師倘若把學(xué)生的思路限定在機(jī)械、唯一的闡述可能性上，就會(huì)破壞

6、學(xué)生想去探究的好奇心，影響學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的變量，如果學(xué)生想到了這些時(shí)，希望教師不要破壞學(xué)生的思路。對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，立足于實(shí)驗(yàn)和觀察，要使科學(xué)的思維過(guò)程上升到理論階段是非常的，但是，讓他們從更廣的理論關(guān)系上認(rèn)識(shí)現(xiàn)象、原理、法則也是非常必要的，倘若沒(méi)有這種認(rèn)識(shí)，往往會(huì)把理論誤解為沒(méi)有根據(jù)的主張，因此，在探究過(guò)程的目標(biāo)之下，讓學(xué)生通過(guò)以上的案例學(xué)習(xí)，將會(huì)使學(xué)生獲得有關(guān)現(xiàn)象及經(jīng)驗(yàn)性原則法則的知識(shí)，而最終在理性高度上獲得這些關(guān)系的知識(shí)。本案例中，工具、步驟都是簡(jiǎn)單的，在許多的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，要相對(duì)復(fù)雜、精致一些。四、活動(dòng)展開(kāi)1動(dòng)手實(shí)踐，探究2在燒杯中裝上水，并在燈上加熱，引導(dǎo)學(xué)生觀察到一個(gè)現(xiàn)象：之間，在燒杯

7、底部形成的氣泡上升到中上層水中時(shí)，氣湮沒(méi)了。2觀察議論，大膽猜想部分同學(xué)討論：水燒開(kāi)之前，熱的，所以在壺底形成的氣泡“升到溫度較低的中上層水時(shí)，氣泡因溫度降低而縮小，重新被溶解而湮沒(méi)”，部分學(xué)生堅(jiān)持的觀點(diǎn)：由于水的“對(duì)流”，熱水密度小，比冷水“輕”，熱水總是浮在冷水的上面，因此之前，熱下冷的，教師：從不同角度而言，以上都有一定的科學(xué)道理，為了徹底搞清楚這個(gè)問(wèn)題，我們就“水開(kāi)前的水層溫度分布”作進(jìn)一步探究。我們要準(zhǔn)確地驗(yàn)證“之前的水層溫度分布”的假設(shè)，必須解決兩個(gè)問(wèn)題：一是如何定量測(cè)定同一燒杯中的水不同水層的溫度分布？二是如何觀察之前的對(duì)流情況以及對(duì)流情況的變化？學(xué)生 A：在不同深度的水層里面插

8、上溫度計(jì)，每隔一定時(shí)間，一次每個(gè)溫度計(jì)的讀數(shù)。學(xué)生 B：用放大鏡將水放大了，就可以觀察到它的細(xì)微的運(yùn)動(dòng)了。學(xué)生 C：在水底放一些可以不斷被溶解的物質(zhì)，在水溫升高的過(guò)程中，物質(zhì)應(yīng)不斷被溶解隨水的對(duì)流而向上運(yùn)動(dòng)。從而就可以清楚地觀察到水的對(duì)流情況，也可以反映出對(duì)流情況隨水溫升高而產(chǎn)生的變化。學(xué)生 D：我們可以拿兩杯加熱到不同溫度的其中加入易溶解物質(zhì)，通過(guò)物質(zhì)溶解運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)對(duì)比因溫度升高而引起的對(duì)流的變化。取 A、D 同學(xué)的方法組成研究方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3實(shí)驗(yàn)探究（1）水層溫度分布在大燒杯中，裝上約 1000ml 的冷水，置于燈之上，對(duì)之緩慢加熱，取 4 個(gè)溫度計(jì)，讓其中三個(gè)溫度計(jì)的液泡分別浸沒(méi)在中

9、的上、中、下在三個(gè)不同深度，讓其中一個(gè)溫度計(jì)直接與燒杯的底部接觸。在燒水的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)刻，每一個(gè)溫度計(jì)的讀數(shù)，為了排除獲得的數(shù)據(jù)的偶然性，反復(fù)做五次實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表 1）3壺底溫度/下層水溫度/中層水溫度/上層水溫度/3833.53536484343.545數(shù)據(jù)分析結(jié)果：表 1 是其中一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)：我們從水層溫度分布示意圖（如下圖表）可以很清楚地看出數(shù)據(jù)的規(guī)律：室溫上升以 80附近這一過(guò)程中，容器里的水一直是“上高下低”，水層溫度分布示意圖11010090807060504030123456789 10但從 80到 100始沸騰這一過(guò)程中，容器里的水卻是“上低下高”的，而且五次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

10、都是一樣的，即之前，容器里的水層溫度先是“上高下低”然后是“上低下高”直至沸騰。這一結(jié)果，出乎我們的意料，與我們實(shí)驗(yàn)前對(duì)之前水層溫度的單一假設(shè)要么“上高下低”，要么“上低下高”是很不一致的，然而卻是事實(shí)。（2）水的對(duì)流取兩個(gè)燒杯，各放約 400ml 相同多的水，讓其中一杯先燒至70，然后開(kāi)始燒另一杯水，當(dāng)一杯水達(dá)到約 80時(shí)，另一杯水也達(dá)到大約 35，同時(shí)在兩個(gè)燒杯中心投入若干粒高錳酸鉀，觀察水的對(duì)流。現(xiàn)象：當(dāng)容器里的水溫較低時(shí)，對(duì)流運(yùn)動(dòng)劇烈，當(dāng)整個(gè)容器里的水溫較高時(shí)，對(duì)流運(yùn)動(dòng)不再劇烈，五、分析討論4溫度下層水溫度上層水溫度534848.550655959607265.566668580808

11、096929190999895.59510410098.598.51051031011001為什么加熱過(guò)程中，水層溫度的分布會(huì)發(fā)生變化呢？：我們認(rèn)為，熱的不良導(dǎo)體，當(dāng)容器里的水溫度較低時(shí)，上層和下層的水溫相差較大，對(duì)流運(yùn)動(dòng)劇烈，對(duì)流的結(jié)果使得水上層溫度較高，下層溫度較低，呈現(xiàn)“下熱上冷”的現(xiàn)象；當(dāng)整個(gè)容器里水的溫度較高時(shí)，上層和下層水的溫度差就比較小，對(duì)流運(yùn)動(dòng)不那么劇烈，熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的效果就突顯出來(lái)了，熱傳導(dǎo)的結(jié)果使得下層水的溫度較高，上層水的溫度較低，呈現(xiàn)“上熱”的現(xiàn)象。2產(chǎn)生燒杯底形成的氣泡升到中上層水時(shí)被湮沒(méi)的現(xiàn)象的是什么？：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生燒杯底形成的氣泡升到中上層水時(shí)被湮沒(méi)的現(xiàn)象，

12、其不是下層水溫度較高，而是因?yàn)槿萜鞯椎臏囟容^高，氣泡貼在容器底，生成時(shí)溫度較高，一旦離開(kāi)容器底，溫度就要降低，導(dǎo)致氣泡體積縮小，生成的氣泡本身就小，在之前就發(fā)生“湮沒(méi)”現(xiàn)象了。六、活動(dòng)延伸延伸 1：探究0到 4的反常膨脹現(xiàn)象活動(dòng)要求：學(xué)生能夠確定出水的溫度在 0到 4之間變化時(shí)，其體積隨溫度變化而變化的具體數(shù)據(jù)。提示：可以將在有刻度的量筒中，溫度計(jì)，然后把量筒放到冰箱中，讓水的溫度降到4，并在 4到 0之間逐漸變化，同時(shí)不斷數(shù)據(jù)。延伸 2：若在水中加入鹽現(xiàn)象會(huì)怎樣？活動(dòng)要求：學(xué)生能夠研究在水中加入鹽后，在水層的溫度分布是否有變化，其對(duì)流情況是否有變化。活動(dòng)提示：可以通過(guò)加鹽和不加鹽及加不同的鹽

13、量的水進(jìn)行對(duì)比，從而研究之前溫度的分布和對(duì)流情況。七、資料集粹1電燈泡有兩種類型：一種稱為真空型，在它的泡內(nèi)部是抽成真空的；另一種稱為充氣型，在它的泡內(nèi)充有某種氣體。以正確這只電燈泡的類型可以根據(jù)氣體能通過(guò)對(duì)流來(lái)傳遞熱量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：點(diǎn)燃電燈，用手觸摸燈泡的上方和下方的。如果各個(gè)方向上的都同時(shí)均勻變熱，則說(shuō)明它們都只接受了燈絲的熱輻射，因此這只燈泡是真空型的；如果燈泡的上方比下方的熱得快，說(shuō)明燈泡內(nèi)氣體的對(duì)流，因此這只燈泡必定是充氣燈泡。（）2太陽(yáng)光球下面處于對(duì)流狀態(tài)的一個(gè)層次，一般認(rèn)為15 萬(wàn)公里，有人認(rèn)為更厚，也有人認(rèn)為薄到約 1 萬(wàn)公里。層內(nèi)的氫不斷電離，增加氣體比熱，破壞流體靜力學(xué)平衡，引起氣體上升或下降。由于升降很快，流體元幾乎處于絕熱狀態(tài)；又由于比熱大，在重力場(chǎng)中上升時(shí)，流體元的溫度就比5周?chē)?，密度小，因浮力而繼續(xù)上升。流體元一旦下降，溫度比周?chē)?，密度大，就繼續(xù)下降。這樣就形成了對(duì)流。我們可以把對(duì)流層看成是一個(gè)巨大的熱機(jī)，它把從太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)所產(chǎn)生的外流能量的一小部分變?yōu)閷?duì)流能量，成為產(chǎn)生諸如黑子、耀斑、日珥以及在日冕和太陽(yáng)風(fēng)中其它瞬變現(xiàn)象的動(dòng)力。因此，太陽(yáng)對(duì)流層的研究，具有非常重要的意義。（）八、練習(xí)精選1在空調(diào)發(fā)明之前，人們經(jīng)常在睡覺(jué)前用裝了熱水的瓶子暖被窩。為什么要選擇熱水？參考：熱的不良導(dǎo)體