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[摘要]传统用来研究液体的沸点与气压关系的实验装置，由于密封性和活塞抗压方面的不足，致使实验时液体重新沸腾现象重复性差。而改进传统实验装置的密封性，并加载温度、气压传感器，通过数據处理器连接至计算机，用绘图软件画出对应关系，则可使实验数据以图像方式直观呈现，实现液体多次沸腾。
[关键词]传感器；沸点与气压关系；改进
[中图分类号]G633.98[文献标识码]A[文章编号]16746058（2018）05009502
一、问题提出
华师大版《科学》教材八年级上册第2章第3节《大气压强》中有一个活动：研究气体压强对液体沸点的影响，其涉及知识点有：液体的沸点随液体表面的气压增大而升高，减少而降低。本内容在教材中是第二次出现，所以对学生思维品质的要求进一步提高，要求学生在本课的学习过程中，能推理、理解并应用此知识点解决实际问题。
传统的课堂演示实验往往采用浇冷水（图1）或用针筒抽气的方式（图2）来突破学生的学习难点。其优点有：现象明显，能通过逻辑推理帮助学生理解此知识点。不足为：①降温过快，沸腾次数少；②水重新沸腾时，不能直观显示温度和气压值，学生无法知道烧瓶内的气压是否下降；③由于装置密封性和活塞抗压性的限制，不能使水在高于100℃时沸腾。因此学生对于“液体的沸点随液体表面的气压增大而升高”这一知识点缺乏直观体验和实验支持。
二、实验改进
为解决以上三个问题，笔者经过多次改良器材，改进程序，最终设计出符合要求的实验装置，如图3所示。
该实验装置，用DS18B20温度传感器和XGZP6847型气压传感器采集数据，用Arduino nano主板处理数据，并通过数据线连接计算机，在计算机上安装绘图软件Tempandpre用以记录和显示实验数据及据此生成的温度、气压图像。
实验过程中主要遇到以下问题：（1）在酒精灯持续加热升温加压过程中，烧瓶口与橡皮塞连接处及各个玻璃管与橡皮管的连接点，承受不住巨大的压力和水蒸气的高温，导致密封泥软化，出现不同程度的漏气问题。（2）抽气时，尤其是气压迅速下降过大时，连接处的乳胶管变形而闭合，因此不能继续抽气使气压下降，达不到多次重新沸腾的理想效果。（3）所用的气压传感器工作温度不能超过100℃，而烧瓶口水蒸气的温度很容易超过100℃，超出气压传感器的正常工作温度。（4）传感器记录的实验数据过多，在众多的数据中不易筛选出沸腾时的温度和气压值。
笔者通过查找资料、反复实验、请教科学特级教师吴利文老师、走访电厂、向工业实地测量取经等，逐一解决了以上问题：（1）用定制的带磨砂口的圆底烧瓶替换普通烧瓶，并用锉刀打磨新橡皮塞外圈，增加烧瓶口与橡皮塞的摩擦力，使之能承受较大压强而不漏气，保证实验的继续进行。（2）用质地较硬的耐低温、耐老化、耐腐蚀、耐高温的洗车用加强型黑色橡胶软管替换实验室常用的乳胶软管，使抽气时软管不致变形密闭，实现较大幅度的抽气，降低气压而使水重复沸腾。（3）根据电厂压力测量的实际经验，让硬质PVC透明管绕圈后再连接气压传感器（见图3固定于铁架台上的圈状连接方式），水蒸气在圈状导管中逐渐冷却降温，使气压传感器处于正常工作温度范围内，保证读数的准确可靠。（4）每次抽气至观察到水重新沸腾才停止，观察记录此时的温度和气压值，即为此对应压强下水的沸点。
三、实验结果
经过对程序、数据的多次校正和图像呈现方式、坐标轴范围的调整，终于实现了笔者的设想：对应同一时刻的温度与压强值在同一个图像中描绘，用不同颜色显示。经过多次重复实验，其中某次实验过程中计算机记录的绘图结果如图4所示。
红色线 为温度（℃），黑色线为压强（kPa），黑框内显示实时采录的温度、气压数据。从图像结合实验具体过程可知，水在高于一个标准大气压且高于100℃时沸腾。熄灭酒精灯停止加热，水降温至完全停止沸腾后，用针筒向外抽气，随着压强的显著下降，观察到水重新沸腾时停止抽气，记录此时对应的温度和气压值。松手，针筒活塞复位，压强迅速增高。继续降温，然后重复抽气至水重新沸腾，记录此时对应的温度和气压值，多次重复以上步骤，直至活塞抽至针筒最大处。此次实验，共实现了11次水的重新沸腾（见图4）。
重新将水加热至沸腾，重复以上实验。在不同的时间内记录的多组数据中，若出现沸点温度相同，记录压强最高值，因为压强低时，液体更容易沸腾。采用这种方式，删除部分数据，留下的数据，按温度降序整理，详细见表1。
从表中可以看出，第8、13、16、20、21、22这6组数据，压强值低于或等于下一组或下下组的压强值，分析原因可能是人工抽气幅度过大，使压强下降过快，水迅速沸腾。又因沸腾的水可以在更低的压强下持续沸腾，因此去掉这6组数值，将剩余的实验数据用Excel软件绘制图像，见图5。
从图5中可以直观看出，液体的沸点随液体表面的气压增大而升高，减少而降低。由此可以有效突破此教学难点。
本实验实现了两大创新：（1）通过计算机技术、传感器与科学的有机结合，可实时描点绘制曲线记录结果：温度、压强值直观可视，使实验从定性走向定量。（2）水可以在高于一个标准大气压（181kPa），108℃时沸腾，为“液体沸点随其表面气压的增大而升高”提供实验数据，弥补传统实验只能降温降压使液体重新沸腾的不足。
四、反思与展望
将温度和压强放在同一个图中，使数据对应且直观可视，却使温度的区分度不大。
关闭软件后数据不能自动保存，唯有关闭之前人工记录并筛选后，再用Excel处理绘图，实验结果尚缺自动识别和筛选数据功能。
本实验采用人工抽气的方式，抽气幅度不可控制，导致有时抽气过多，降压过快，产生无效数据，且因人力有限，在气压越来越低的过程中，拉动针筒活塞越来越费力，导致实验不能到达气压最低值，重复性较差。是否可以考虑增加一个小电动机，像医院匀速注射药物似的向外拉活塞，控制活塞拉动幅度，提高数据的重复性？
上述问题，尚待继续尝试改进，以使实验效果更理想。
[参考文献]
[1]黄建明，徐玲.对沸点随气压改变演示实验的改进[J].物理教学探讨（上半月），2004（3）.
[2]吴玉萍.关于沸点与气压关系两种改进装置的对比[J].物理通报，2015（7）.
（责任编辑黄春香）
[关键词]传感器；沸点与气压关系；改进
[中图分类号]G633.98[文献标识码]A[文章编号]16746058（2018）05009502
一、问题提出
华师大版《科学》教材八年级上册第2章第3节《大气压强》中有一个活动：研究气体压强对液体沸点的影响，其涉及知识点有：液体的沸点随液体表面的气压增大而升高，减少而降低。本内容在教材中是第二次出现，所以对学生思维品质的要求进一步提高，要求学生在本课的学习过程中，能推理、理解并应用此知识点解决实际问题。
传统的课堂演示实验往往采用浇冷水（图1）或用针筒抽气的方式（图2）来突破学生的学习难点。其优点有：现象明显，能通过逻辑推理帮助学生理解此知识点。不足为：①降温过快，沸腾次数少；②水重新沸腾时，不能直观显示温度和气压值，学生无法知道烧瓶内的气压是否下降；③由于装置密封性和活塞抗压性的限制，不能使水在高于100℃时沸腾。因此学生对于“液体的沸点随液体表面的气压增大而升高”这一知识点缺乏直观体验和实验支持。
二、实验改进
为解决以上三个问题，笔者经过多次改良器材，改进程序，最终设计出符合要求的实验装置，如图3所示。
该实验装置，用DS18B20温度传感器和XGZP6847型气压传感器采集数据，用Arduino nano主板处理数据，并通过数据线连接计算机，在计算机上安装绘图软件Tempandpre用以记录和显示实验数据及据此生成的温度、气压图像。
实验过程中主要遇到以下问题：（1）在酒精灯持续加热升温加压过程中，烧瓶口与橡皮塞连接处及各个玻璃管与橡皮管的连接点，承受不住巨大的压力和水蒸气的高温，导致密封泥软化，出现不同程度的漏气问题。（2）抽气时，尤其是气压迅速下降过大时，连接处的乳胶管变形而闭合，因此不能继续抽气使气压下降，达不到多次重新沸腾的理想效果。（3）所用的气压传感器工作温度不能超过100℃，而烧瓶口水蒸气的温度很容易超过100℃，超出气压传感器的正常工作温度。（4）传感器记录的实验数据过多，在众多的数据中不易筛选出沸腾时的温度和气压值。
笔者通过查找资料、反复实验、请教科学特级教师吴利文老师、走访电厂、向工业实地测量取经等，逐一解决了以上问题：（1）用定制的带磨砂口的圆底烧瓶替换普通烧瓶，并用锉刀打磨新橡皮塞外圈，增加烧瓶口与橡皮塞的摩擦力，使之能承受较大压强而不漏气，保证实验的继续进行。（2）用质地较硬的耐低温、耐老化、耐腐蚀、耐高温的洗车用加强型黑色橡胶软管替换实验室常用的乳胶软管，使抽气时软管不致变形密闭，实现较大幅度的抽气，降低气压而使水重复沸腾。（3）根据电厂压力测量的实际经验，让硬质PVC透明管绕圈后再连接气压传感器（见图3固定于铁架台上的圈状连接方式），水蒸气在圈状导管中逐渐冷却降温，使气压传感器处于正常工作温度范围内，保证读数的准确可靠。（4）每次抽气至观察到水重新沸腾才停止，观察记录此时的温度和气压值，即为此对应压强下水的沸点。
三、实验结果
经过对程序、数据的多次校正和图像呈现方式、坐标轴范围的调整，终于实现了笔者的设想：对应同一时刻的温度与压强值在同一个图像中描绘，用不同颜色显示。经过多次重复实验，其中某次实验过程中计算机记录的绘图结果如图4所示。
红色线 为温度（℃），黑色线为压强（kPa），黑框内显示实时采录的温度、气压数据。从图像结合实验具体过程可知，水在高于一个标准大气压且高于100℃时沸腾。熄灭酒精灯停止加热，水降温至完全停止沸腾后，用针筒向外抽气，随着压强的显著下降，观察到水重新沸腾时停止抽气，记录此时对应的温度和气压值。松手，针筒活塞复位，压强迅速增高。继续降温，然后重复抽气至水重新沸腾，记录此时对应的温度和气压值，多次重复以上步骤，直至活塞抽至针筒最大处。此次实验，共实现了11次水的重新沸腾（见图4）。
重新将水加热至沸腾，重复以上实验。在不同的时间内记录的多组数据中，若出现沸点温度相同，记录压强最高值，因为压强低时，液体更容易沸腾。采用这种方式，删除部分数据，留下的数据，按温度降序整理，详细见表1。
从表中可以看出，第8、13、16、20、21、22这6组数据，压强值低于或等于下一组或下下组的压强值，分析原因可能是人工抽气幅度过大，使压强下降过快，水迅速沸腾。又因沸腾的水可以在更低的压强下持续沸腾，因此去掉这6组数值，将剩余的实验数据用Excel软件绘制图像，见图5。
从图5中可以直观看出，液体的沸点随液体表面的气压增大而升高，减少而降低。由此可以有效突破此教学难点。
本实验实现了两大创新：（1）通过计算机技术、传感器与科学的有机结合，可实时描点绘制曲线记录结果：温度、压强值直观可视，使实验从定性走向定量。（2）水可以在高于一个标准大气压（181kPa），108℃时沸腾，为“液体沸点随其表面气压的增大而升高”提供实验数据，弥补传统实验只能降温降压使液体重新沸腾的不足。
四、反思与展望
将温度和压强放在同一个图中，使数据对应且直观可视，却使温度的区分度不大。
关闭软件后数据不能自动保存，唯有关闭之前人工记录并筛选后，再用Excel处理绘图，实验结果尚缺自动识别和筛选数据功能。
本实验采用人工抽气的方式，抽气幅度不可控制，导致有时抽气过多，降压过快，产生无效数据，且因人力有限，在气压越来越低的过程中，拉动针筒活塞越来越费力，导致实验不能到达气压最低值，重复性较差。是否可以考虑增加一个小电动机，像医院匀速注射药物似的向外拉活塞，控制活塞拉动幅度，提高数据的重复性？
上述问题，尚待继续尝试改进，以使实验效果更理想。
[参考文献]
[1]黄建明，徐玲.对沸点随气压改变演示实验的改进[J].物理教学探讨（上半月），2004（3）.
[2]吴玉萍.关于沸点与气压关系两种改进装置的对比[J].物理通报，2015（7）.
（责任编辑黄春香）