奇妙的沸腾:初中物理创新教学实践

在大自然中, 水以各种形态存在着:美丽的云雾, 高耸的冰川, 涓涓溪流, 荷叶上的颗颗“珍珠”, 晶莹的凇挂……而文人墨客们对水及其形成的雾、雨、雪、霜、露、冰、雹更是情有独钟。“气蒸云梦泽, 波撼岳阳城。 (孟浩然《临洞庭湖》) ”、“日照香炉生紫烟 (李白《望庐山瀑布》) ”、“氤氲起洞壑, 遥裔匝平畴。拂林随雨密, 度径带烟浮。 (苏味道《咏雾》) ”都是对水及其各种形态的生动描写, 更有“所谓伊人, 在水一方。 (《诗经·蒹葭》) ”、“抽刀断水水更流, 举杯消愁愁更愁 (李白) ”的感慨。而水的一种特殊现象——沸腾, 更是与我们息息相关。日常生活中“开水不响, 响水不开”便是对沸腾的一种感性认识。沸腾现象在地面是普遍存在的物理现象, 看上去似乎很简单:液体加热时, 靠近加热器底部的液体被加热, 这部分液体变热后, 产生的气泡由于重量轻, 跑向水面。同时, 由于液体的对流, 加热器附近加热的水上升, 周围的冷水补充, 于是整个容器的水温逐渐升高, 当达到液体的沸点时, 液体沸腾了。实际上, 地球上沸腾现象并不是一个简单的物理现象。沸腾现象不仅发生在日常生活里, 在工厂的车间里和航天飞机的冷却系统中, 也会出现沸腾现象, 如果对影响沸腾的因素不了解, 将影响到产品的质量和航天飞机的安全。到目前为止, 物理学家对沸腾现象中的很多物理学原理还没有搞得十分清楚。

1 扩散性创新思维在物理教学中的生动化

在组织“探究水的沸腾现象”的教学时, 首先讲詹姆斯·瓦特看到煮饭时蒸汽推动锅盖而启迪了他发明蒸汽机, 从而开拓和推动了第一次工业革命, 给同学们的造成强烈震撼。随后组织“纸锅烧水”、“酒精灯煮鱼”实验。学生凭自己的经验认为一点就能燃烧的纸, 折成小纸盒装入水放在酒精灯上烧时, 纸盒肯定会被烧破, 但当他们看到通过自己的实验“纸锅”真的把水烧开而并没有被烧破时, 他们在惊叹的同时也对本课的探究产生了浓厚的兴趣。在“酒精灯煮鱼”实验中, 学生们根据自己生活的经验, 认为鱼只能生活在常温下的水中, 当他们看到加热烧瓶颈部直至水沸腾而金鱼却安然无恙的游来游去时, 学生们惊奇不已。然后叫同学们自己联系生活实际联想和设计沸腾实验。有的同学会想到“分馏法”, 利用水和酒精的沸点不同, 使混合液 (即甘蔗酒) 沸腾, 可以从甘蔗酒中分离出酒精。事实上, 由于水的蒸发, 这样分离出的酒精纯度较低, 倘若利用生石灰的极强的吸水性质, 将混合液跟生石灰 (Ca O) 混合加热蒸馏, 即可达到提纯酒精的目的;有的同学想到了“油锅捞钱”的江湖杂耍:在水里加菜仔油, 再加硼砂, 当锅面沸腾时, 而锅里的水只有不到四十度的温度, 可以轻松地捞起锅里的铜钱;有的同学会想到压力锅;有的同学会想到“烧瓶吞鹌鹑蛋”实验, 即将一个用开水烫过的烧瓶倒扣在铁架台上, 在烧瓶口放一个比瓶口稍大的鹌鹑蛋, 蛋从瓶口慢慢进入烧瓶中;有的同学想到《七步诗》:“煮豆燃豆萁, 豆在釜中泣。本是同根生, 相煎何太急。”的绝妙诗句。如此奇妙的沸腾, 有谁能抵挡其诱惑呢?

2 科学创新思维的训练, 沸腾现象的升华与提高

由水沸腾时的实验数据和水沸腾曲线学生可以认识到水有确定的沸点。鉴于沸点与气压的关系在生产技术和日常生活上的重要应用 (压力锅就是一个典型) , 引导学生探究水的沸点温度与气压的关系。并对比分析蒸发和沸腾, 利用分子动理论的分子运动模型给出初步解释, 由此提出气态方程, 教导以原子模型的建立和不断完善的过程等内容中突出科学创新思维的教育, 并渗透如理想化的方法、模型的方法、极限的方法、控制变量的方法等, 使学生知道为什么要建立物理模型, 学会根据现象或事实进行科学推理的方法, 这不仅有助于学生加深对基本知识的理解, 还有助于加深对研究方法的领悟, 提高学生对科学的认识和创造能力。

3 多角度创新思维的拓展, 低失重状态下的沸腾现象

在失重情况下, 液体沸腾与地面有什么不同?在太空中会是什么样子?沸腾的气泡是膨胀还是缩小?它们会膨胀到多大?密歇根大学的一些科学家和工程师们在1 9 9 2至1 9 9 6年期间的五次太空飞行任务中进行了一系列的沸腾实验。他们发现了在地球上和在轨道上的沸腾液体之间有一些很奇妙的不同。例如, 在失重状态下沸腾的溶液并没有产生数以千计的气泡, 而是一个巨大的气泡吞没了小的气泡。地球上, 当容器中的水被加热后, 地球引力使液体中比较热的区域上升, 更冷且密度更大的区域下沉——这个过程被叫做“对流”。这个运动过程使热量在液体内部传播开来。一旦它开始沸腾, 浮力将气泡顶向水面, 产生一个“翻滚沸腾”的现象。液体内的所有这些运动使得物理学研究变得更加复杂。在太空中, 没有对流和浮力作用, 沸腾的整个过程显然不同了。受热的液体并没有上升, 而是仅仅靠近加热器的表面, 并且不断地变热。液体中离加热器远的部分依然相对冷。因为只有一小部分水受热, 这部分水很快沸腾了。虽然已经形成气泡, 但是它们没有到达表面。它们结合成一个巨大的气泡, 在液体中四处摇摆着。没有浮力的影响, 加热停止以后, 沸腾产生的水汽形成一个气泡在水中飘浮着。由于表面张力的作用, 使得很多的小气泡接合在一起, 形成一个大气泡。失重条件下沸腾现象的研究不仅仅是简单的好奇, 它除了具有娱乐价值外, 还可以通过了解液体在太空中沸腾的特点, 研制出更多用于航天飞机的、有实际使用价值的冷却系统, 例如, 国际空间站采用“两相”冷却系统, 系统中的氨水从液体变成气体, 而后又变回液体, 其中产生的过程也包括沸腾。工程师们在设计国际空间站冷却系统的时候应用了失重状态下的沸腾实验所收集的资料。有关太空中沸腾现象的知识也可能用于设计空间站的能源车间, 利用太阳能煮开液体来产生蒸汽, 推动涡轮产生电。这项研究的成果也可能被运用在地球上。失重环境可以使科学家们从一个新的“视角”去观察沸腾现象。科学家们通过分析失重环境下沸腾的特点, 改进了对沸腾基本原理的认识, 这将有助于提高陆地上能源车间的设计水平。

通过引导同学们进行低失重实验的设计, 开拓多角度、全方位的创新思维培养。

4 多学科的横向联系, 物理化学反应产生的沸腾现象

结合同学们已做过硫酸溶解放热实验, 为了安全和更容易观察沸腾现象, 叫同学们自己收集、设计新的硫酸溶解放热实验。有的同学设计了用铁丝绷住几条湿润的石蕊试纸, 穿过导管悬挂于锥形瓶内, 并接近浓硫酸液面。打开分液漏斗的活塞, 水滴落在浓硫酸液面上, 立即沸腾, 溅起的酸液落在试纸上, 出现红色的斑点。宏观的现象证明了水沸腾有酸液溅起。通过让同学们进行多学科的联系, 对实验方案进行完善, 培养学生敢于设想、敢于创新的精神。

在物理教学中, 融合科学与和谐的理念, 开展创新意识教育, 全面提高科学创新素养是新时代教学的基本要求, 是实践“科学技术是第一生产力”、“科教兴国”的重要一环。

摘要：通过初中物理《水的沸腾》一节的教学实践, 积极探索了如何在教学中培养学生的创新意识, 为全面提高教学质量进行了有益的摸索。

关键词：沸腾,物理教学,创新教育