論文1：酒精與水混合后體積變小的真正原因

1、學科論文：初中科學酒精與水混合后體積變小的真正原因作者： 張勝手機箱：jhsheng120269969【內(nèi)容提要】：酒精與水混合后體積變小的最佳解釋是：“一則是因為水分子、酒精分子進入了彼此的空隙；二則，也是主要原因，是因為壓強增大后把分子 之間的空隙壓小了。因為我把五十毫升的酒精和五十毫升的水混合后變成 93 毫升，體積減小了 7 毫升。但是我把這 93 毫升分兩個量筒裝后卻變成了 97 毫升了。也就是說壓強使它壓縮了 4 毫升，而彼此進入對方分子的空隙中只改變了3 毫升。所以壓強是主因，而彼此進入對方的空隙是次因。而且隨液體的深度的增加，壓強所起的作用將更大。【關(guān)

2、鍵詞】：分子運動論 分子群 體積變小 空隙 斥力 壓強【正文】：一、實驗才會有科學新發(fā)現(xiàn)上學期我校搞教研活動，金東區(qū)初中科學青年教師培訓班集中學習活動在我校舉行，有兩位教師上了公開課。上完課后再進行評課，然后教研員張成生老師進行講座。講座的課題是怎樣在初中科學教學中落實有效教學框架?；顒娱g隙，張老師讓我做個實驗探究一下。他說：“在做分子間存在空隙的實驗時，他發(fā)現(xiàn)了一個問題。我們把水和酒精各取五十毫升后馬上混在一起后，發(fā)現(xiàn)體積減小程度比較大。但是把水和酒精各取五十毫升后，放置一節(jié)課或更長一段時間后，發(fā)現(xiàn)它的體積減小程度有所下降?！睆埨蠋焼栁遥骸斑@是什么原因呢？”我說：“我從來沒碰到過這個問題，讓

3、我想想看?！边^了三、四分鐘后， 我說：“也許放置一段時間后，許多分子凝聚成團，在此我把它命名為分子群。時間越久這個分子群就越大，分子群也越多。所以分子及分子群只能相互進入 分子群之間的空隙，許多分子就無法進入群內(nèi)分子之間的空隙。比如在做七年 級上冊科學課本中的黃豆和沙的模擬實驗時，如果沙長時間放置，結(jié)成塊后， 再和黃豆混合，其體積的減小程度也不大。所以，兩種液體時間放置久了后不 僅水分子形成許多分子群，酒精分子也會形成許多分子群，這樣體積地減小程 度會更加不明顯了?！边@一說法既得到了張老師也得到了各位科學教師的認可，但是必須得通過實驗來驗證一下這個猜想。張老師也建議我去做一下實驗，認真探究一下

4、是什么原因，順便寫下相關(guān)的文章。于是，今天（2011 年 11 月 4 日）一早，我就準備了實驗器材及所需的物質(zhì)。馬上動手做了分子間存在空隙的實驗。實驗的結(jié)果正像張老師說得一樣，放置一段時間后現(xiàn)象變得不明顯。那么我的猜想是分子群增大及增多，而倒液體時會打破這種分子群。所以我就多倒 幾次，再加上多次攪拌，這一現(xiàn)象就明顯多了。倒水與攪拌都可以把分子群打破，由此也證明了我的猜想。實驗過程中我還發(fā)現(xiàn)了一個很奇怪的現(xiàn)象，就是把混合后得到的 93 毫升的酒精溶液再分兩個量筒裝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相加后卻不止 93 毫升，一個量筒中是 50毫升，而另一個是 47 毫升，共有 97 毫升左右。當時我就感覺很奇怪，一開始

5、還以為自己做錯了、量筒不精確或是看錯了。于是就往一個量筒中倒入了 100 毫升的水，再把這 100 毫升的水，分成兩個量筒裝，結(jié)果相加后也是超過 100 毫升。一個量筒是 50 毫升，另一個量筒卻有 55 毫升左右，加起來就有了 105 毫升。其實我們也可以反過來說，把一個 50 毫升的水，還有一個 55 毫升的水，混在一起，卻只有 100 毫升的水了。為了驗證這一結(jié)果，我再做了類似的實驗。分別用兩個量筒量取 50 毫升的水，再把它們混合在一起，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有 95 毫升。就是不用水和酒精混合，直接用水和水混合，混合后的體積也減小了。為了防止實驗誤差，及學校裝備的落后使實驗不精確。我又換成精確度

6、更高的量筒。我取兩個量程是 10 毫升的量筒，最小刻度值從原來的 1 毫升精確到0.1 毫升。然后各量取 5 毫升水，再把它們混合后，結(jié)果只有 9.7 毫升。請注意和上次實驗比減小程度下降了。然后取不同量的水繼續(xù)做實驗都得出了類似的結(jié)果。我終于恍然大悟。原來我們科教書中用水和酒精混合的實驗來證明分子間存在間隔，它存在錯誤。實驗本身證明分子之間存在間隔應該沒錯，可是解釋卻錯了。所以，我們以后證明分子間存在間隔的實驗可以改為 50 毫升水和 50 毫升水混合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體積也變小了，這說明分子間存在間隔。只不過解釋得改了， 應該這樣解釋：由于把兩部分水混合后，水的深度增加了，底部的壓強增大了， 在較

7、大壓強下，水分子間的空隙變小了。當然，如果我們還是用課本上的實驗，更正確地解釋是：“一則是因為水分子、酒精分子進入了彼此的空隙；二則最主要的一點是壓強增大了，把分子之間的空隙壓小了?！睘榱俗C明這一點，我在兩個量筒中各裝 50 毫升的水，先把一個量筒中的水倒入了一個截面積很大的圓形水槽中，記錄其刻度。再把另一量筒中的水倒入水槽中，測量后發(fā)現(xiàn)總體積沒有變化。這是因為，要使分子間的空隙壓縮，必須要有一定的力，也就是要有一定的深度。我把這個能壓縮體積的最小深度叫做臨界深度。此時體積沒變，是因為水的深度還沒達到這個臨界深度。這個比較實驗也證明了我的猜想：“深度增加壓強增大后使分子間的空隙變小了?！备倪M后

8、的實驗有幾個優(yōu)點，一是節(jié)約資源，我們用酒精和水混合雖然也可以用改進后的解釋，但做過實驗后往往倒掉，浪費了酒精資源。二則，實驗物質(zhì)很方便，我們不必到實驗室取酒精，直接用自來水就行了。三則，解釋的理論彌補了原先解釋的錯誤，酒精與水混合體積變小。除了一個進入彼此的空隙的理由外，另一個理由是：“由于壓強增大使分子間的間隙變小了?！庇纱?，我們可以得出幾個猜想：1. 深度達到臨界深度時，水的底部分子間的空隙比較小。2. 同樣是水其實也不是均勻的，如果水深達到一定程度后，上層水分子疏， 下層水分子密。3. 海水底部的密度要比表面水的密度大的多。4. 我們在配制一定質(zhì)量分數(shù)的溶液時，不能用量筒測量水的體積，否

9、則會造成誤差。應該用天平稱量水的質(zhì)量。5. 不同的液體其臨界深度不同。6. 同種液體在不同的溫度下它的臨界深度也不同。那么除了水是不是其他液體也有類似現(xiàn)象呢？是不是還和分子的大小，相對分子質(zhì)量及液體的密度有關(guān)呢？于是，我用酒精繼續(xù)做實驗。取兩個量程是 100 毫升的量筒，然后各量取 50 毫升酒精，再把它們混合后，結(jié)果也變成了 95.5 毫升。根據(jù)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)兩個液體體積變小得程度不同，從中也說明了還和液體的種類有關(guān)。為了實驗更準確，我又換成精確度更高的量筒。我取兩個量程是 10 毫升的量筒，最小刻度值從原來的 1 毫升精確到 0.1 毫升。然后各量取 5 毫升酒精，再把它們混合后，結(jié)果還是

10、10 毫升。那么為何會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？我深入思 考后覺得，這又是一個大進步。因為，要減 小液體分子間的空隙，必須要有一定的力來 克服液體分子間的斥力，而每一種液體分子 所需要力的大小是不同的。我們就可以用這 種方法來測出不同液體分子之間斥力的大小。打個比方，我做的這個 10 毫升酒精地混合實驗，說明了混合后的深度所產(chǎn)生的壓強還不 能克服酒精分子之間的斥力，所以混合后體 積不減少。而用 100 毫升做的這個實驗，它產(chǎn)生的壓強就可以克服酒精分子間的斥力， 所以體積減小了。我們只要用實驗得出每種 液體能減少體積的臨界深度，就可以計算出 該種液體分子之間斥力的大小。我可以用右圖來說明問題。如圖，如果此

11、時，把它分成兩個量筒裝， 其總體積變小。但是，稍稍降低液面深度后， 分兩個量筒裝體積卻不變，我們就把這個深 度叫做臨界深度。當深度等于或超過此深度時，體積就可以被壓縮。而且深度越深壓縮程度越大，并且不同的深度壓縮程度不同，如下圖。離液面的深度等于臨界深度，分子間沒有被壓縮。而在以下，則都被壓縮，而且深度越深壓縮程度也越大。二、新發(fā)現(xiàn)驗證之路是坎坷的我在 2011 年 11 月 4 日，寫了科學新發(fā)現(xiàn)：酒精與水混合后體積變小的真正原因。經(jīng)過我上百次的實驗，最終形成了一定的理論。然后到處向各報刊、科學雜志及科學論壇投稿。我的這一發(fā)現(xiàn)從投稿難，到?jīng)]有一個平臺可以盡快盡早的展示科研成果，最后終于在中國

12、科普博覽中發(fā)表。后來也接受了金華日報吳俊斐編輯的采訪，當著她的面再次成功的做出實驗。后來她又去請教兩位教師及一位教授，把他們的意見反饋給我?！皩τ谶@種現(xiàn)象的研究，據(jù)我所知在中學科學老師中間，還沒有人提出過這個概念，也沒有人研究過?！蹦衬忱蠋熣f，張勝老師所做到實驗確實發(fā)現(xiàn)了一 些東西，但不能稱之為新發(fā)現(xiàn)，只能說是一個粗略的實驗現(xiàn)象，不能過早下結(jié)論。 “一個大氣壓要 76 厘米的水銀柱才能產(chǎn)生，50 毫升的水能產(chǎn)生多少壓強？ ”樓老師認為，50 毫升酒精和 50 毫升水混合總體積小于 100 毫升的原因是分子間存在間隙引起的，壓強可以忽略不計。 “我們按照他的實驗步驟做了多次實驗，發(fā)現(xiàn) 100 毫

13、升水分裝到兩個量筒里，在讀數(shù)上沒有發(fā)生那么大的變化，誤差在 0.1 毫升左右，也就是說 100 毫升水分成兩個量筒裝，結(jié)果不可能是一個量筒是 50 毫升，另一個量筒卻有 55毫升，加起來有 105 毫升。可能他讀數(shù)的時候有誤差?！闭銕煷髮＜以诤蛯W生按照張勝的實驗方法，多次實驗，并將自己和張勝的實驗結(jié)果一起放到浙師大有關(guān)論壇上進行了探討，最后大家認為，在這個實驗中，壓強的變化不可能引起體積那么大的變化。黃仕華說，壓強對體積的影響本來就存在，但是次要因素， 初中教科書之所以沒提到，可能和這是一個初中生的實驗有關(guān)，教科書表述沒那么復雜。 “盡管我們做不出張勝的實驗效果，但我和我的學生都認為他那種探究

14、科學 的精神值得鼓勵，也值得我們大家學習?！闭銕煷髮＜?，張勝對科學真理的認真 勁令人佩服，也讓人尊敬。看完吳編輯的反饋后，我馬上進行了回復。1. 其實，這一現(xiàn)象如果是真的，那肯定應該是新發(fā)現(xiàn)，因為在我之前還沒有人發(fā)現(xiàn)過。當然如果是錯誤的必須得找出錯誤的原因。我們故且不說這是不是新發(fā)現(xiàn)，我先提出另兩位的不當之處。2.樓老師說的有嚴重錯誤之處。一則，他不能說 50 毫升水產(chǎn)生壓強。因為說液體的壓強不能說體積，而應該說深度。他作為物理教師不應該犯這種錯誤。二則，分子本來就是微觀的，無需多大的壓強。我可以舉出許多現(xiàn)實的例子來反駁他。比如著名的科學家帕斯卡曾經(jīng)做過的一個實驗：帕斯卡在一只完好的木桶上面加

15、上一個嚴實的蓋子。然后在蓋子的中心挖出一個不大的孔，將一根長鐵管插入小孔中，再慢慢地將桶里裝滿水，這時并沒有什么現(xiàn)象發(fā)生。然后他站在一個房子的陽臺上，只往管子里倒入了一杯水，驚人的現(xiàn)象出現(xiàn)了：一杯水竟使木桶壓破了！由帕斯卡的實驗我們知道，壓強與體積無關(guān)，卻和深度有關(guān)，深度越大壓強越大。一桶水都沒有把水桶壓破，一杯水又怎么會產(chǎn)生如此巨大的力量呢？原來木桶的破與不破，并不是由桶內(nèi)水的重量大小甚至體積大小來決定的，而是由水對桶壁的壓強大小來決定的。我們還可以根據(jù)液體內(nèi)部的壓強公式 P= rgh 得出：液體所產(chǎn)生的壓強與液體的深度和液體的密度有關(guān)，而與水的體積和重力無關(guān)。 由此證明了樓老師的錯誤。3.

16、專家說做這個實驗時沒有我這種效果，我想我們必須得找到為何會和我的結(jié)果有較大的出入。更何況你們上次也看到過，我把 100 毫升分兩個量筒裝確實是 50 毫升+55 毫升，所以應該不是讀錯的原因，因為這種錯誤是非常低級的，也是可笑的，相差這么大不能說是誤差了。所以專家的結(jié)論說我讀數(shù)有誤差是不科學的，誤差不會相差這么大。為了科學真理，也是慎重考慮，我建議先慢點發(fā)表文章，能否讓我和專家一起把這一出入解決了再發(fā)。第二天，仔細分析了一下原因，然后把專家無法做成這個實驗的原因又發(fā)給了吳編輯。我說：“我仔細分析了一下，專家為何沒能做出我的實驗效果？大致有如下的原因。1. 我做的實驗是 11 月 4 號，那時的

17、氣溫高，而專家做實驗時是 12 月 6 號， 此時氣溫低。因為氣溫低了，水分子間的空隙會變小，所以此時所需的壓強要大一點才能壓縮。就如蓬松的沙子易壓縮，而實的沙子難壓縮一樣。正如我前面文章中所寫的一樣，壓縮程度與臨界深度和氣溫有關(guān)。2. 也許他們做實驗時水的深度不夠。”后來，在吳編輯的安排下，我在 12 月 9 號下午和專家見面了。在他辦公室聊了一會兒，他打電話叫來了幾個教師。兩位教師帶著實驗器材過來了，我一看他們帶的兩個量筒，馬上說：“這兩個量筒太矮，能否換高一點的。”他們說： “用這兩個量筒也做出了效果，就是只差二毫升?！蔽艺f：“最好再拿高的來， 因為，一則你們的量筒高度沒我做的時候高，二

18、則現(xiàn)在氣溫也比較低?！比缓髮?家、吳編輯、兩位教師和我一行來到了實驗室。我當著他們的面，再次做了這個實驗，雖然他們換了大量筒，但水的深度也沒我做的時候深，我還是做出了理想的效果。專家非常嚴謹，他也像我第一天發(fā)現(xiàn)時一樣，反反復復的做了許多次。我們從四點鐘左右，一直做到五點四十分鐘左右。最后專家說：“也許是溶解氧的原因?！?我馬上反駁：“錯了，溶解氧影響沒這么大。就是把白糖放進水中，體積變化都不會很明顯， 更何況是溶解氧？ ”我又說：“我現(xiàn)在非常自信了，因為我已預測出您們先前不成功的原因，現(xiàn)在改成高一點的量筒就能做出來了。說明我已形成了一定的理論，如果現(xiàn)在的氣溫回到 11 月 4 日， 那效果會更

19、明顯。不信的話，你們可以用開水調(diào)成溫水試試?！痹趯嶒炛校矣钟辛诵赂形?。我們平時說的是量筒越細，越精確，這是非常有理的。因為，此時體積相差一點點，高度就會相差很大。但是從某個角度說用粗的量筒也會比細的量筒更能說明問題。如右圖。量筒中的水面呈凹形，我們讀數(shù)時視線應該與凹形液面的最低處相平。如左圖，所以此時水的體積為 85 毫升。下面就用圖來解釋一下為何有時用粗的量筒好呢？如上圖，左邊是管徑較細的量筒，而右邊是管徑比較粗的量筒。根據(jù)讀數(shù)時視線應該與凹形液面的最低處相平的原則，我們可以看到，液體的真實體積要比讀數(shù)大，相差黃色部分的體積，即我們的讀數(shù)其實是偏小的。我可以用公式表示為：V 讀數(shù)=V 實際

20、V 黃色根據(jù)圖，我們很明顯可以看出來，細量筒的黃色部分所占的比例要大，而粗量筒的黃色部分所占的比 例小的多。為何我要說我的這個感悟呢？因為，我把 100 毫升的水倒入兩個量筒中。一個量筒中的 100 毫升水，原本是減小一部分的體積，現(xiàn)在倒入兩個量筒中了，體積就要減小兩部分了。雖然減小得更多了，我們的實驗卻還是發(fā)現(xiàn)總體積增大了。說明我的新發(fā)現(xiàn)確實是存在的。三、預測是證明新理論對錯的很好方法12 月 15 日，都市快報的記者張一諾采訪了我。我當著她的面，用開水和冷水兌成 20 的溫水，再次成功的做出了 11 月 4 日時的實驗效果。因為當時，2011 年 11 月 4 日的氣溫是 1926。第一步

21、，調(diào)好溫水（過冷的水會影響實驗效果），模擬 11 月 4 號時的氣溫，調(diào)成 20左右。拿出兩個刻度為 100 毫升的大量筒，將右邊的量筒灌水 100 毫升。如圖一：第二步，將右邊量筒中的水倒到左邊的量筒中，快到 50 毫升時，改用膠頭滴管滴入，直到左邊量筒的水達 50 毫升。如圖二：這時，對比兩個量筒就會發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：“右邊的量筒明明已經(jīng)倒出 50 毫升水，可還剩下 55 毫升水。”如圖三：第三步，再將 50 毫升水倒回到量筒里，還是 100 毫升水。第四步，為了證 明兩個量筒誤差不大， 又把右邊量筒中的水 全部倒進左邊量筒， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)還是 100 毫升。如圖四：張記者回去后也 采訪了浙

22、師大的專家， 下面引用張一諾記者 在都市快報中的一段 話，如下：專家也做了這個實驗，一開始實驗沒成功，換成大量筒之后，這個神奇的現(xiàn)象又出現(xiàn)了。 他說，“以前還真沒什么人關(guān)注到這一現(xiàn)象，很佩服張老師的探索心， 不過我的分析理由和張老師不太一樣， 我覺得這和水表面的分子與空氣的接觸面積有關(guān)，水表面接觸空氣后，一部分空氣會融入到水中，導致水的表觀高度變高，而接觸面小了，融入的空氣少了，表觀高度就會變低，分裝成兩個試管，接觸空氣的面積就大了， 表觀高度就會高一些，壓強也是其中一部分原因。”而我有四個疑問，覺得專家的說法有值得商榷的地方：一則，氣體在水中的溶解度很小， 一般情況下，水放那么久了早就飽和了

23、。二則，假設真的是氣體溶入其中造成的，氣體溶解在水 中對體積的影響不會這么大。就是把白糖放到盛滿水的杯子中， 水也不會溢出。三則，假設專家的說法是對的，那他們第一次用低一點的量筒也能做出來。但是在金華日報吳俊斐記者采訪他后，他們模擬了我的實驗卻不能成功。在吳 記者聯(lián)系我后，我分析了幾個原因，在上文中有描述。根據(jù)我的預測，讓他們 改成高一點的量筒就成功了。四則，在吳記者的引薦下，我在 12 月 9 日和專家見面了。當時的氣溫是19。在此對吳記者表示非常的感謝！一開始他們帶來了兩個比較低的量筒，在我的要求下，他們換下低量筒， 重新找了兩個高一點的量筒。我當著他們的面做了 100 毫升加 100 毫

24、升小于200 毫升的實驗，結(jié)果很滿意。但是 200 毫升的水深還沒有我首次做實驗的時候高。這說明了什么？我是做 50 毫升加 50 毫升小于 100 毫升的，水卻比他們200 毫升的要深。那就是他們現(xiàn)在用的量筒要比我做的量筒粗，根據(jù)專家說的 和接觸面積有關(guān)，那應該做“100+100200”的實驗現(xiàn)象明顯一點?？蓪嶋H上卻還不如我第一次實驗來的明顯。根據(jù)控制變量法，可以排除面積這個因素了， 而得出和深度有關(guān)，也就是和壓強有關(guān)。除了以上四個疑問，其實還有一種方法可以檢驗新理論的對錯。要檢測一個新理論是否正確，最好的方法是預測。預測可以去偽存真。比如：元素周期表是 1869 年俄國科學家門捷列夫(Dm

25、itri Mendeleev)首創(chuàng)的，他將當時已知的63 種元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化學性質(zhì)的元素放在同一行，就是元素周期表的雛形。利用周期表，門捷列夫成功的預測當時尚未發(fā)現(xiàn)的元素的特性(鎵、鈧、鍺)。正因為元素周期表可以預測未發(fā)現(xiàn)的元素，所以它是正確的。同理，一開始金華日報吳俊斐記者先來了解我的實驗。她很慎重，所以將 我寫的文章給專家看。專家看過我的文章后根據(jù)我的描述進行了實驗，可是卻 無法做出效果。吳記者把這個情況反饋給我，我仔細分析，并預測了三個原因：1. 我們學校的儀器不精確，這我在一早就懷疑了。所以我做了許多實驗并換用精確度更高的小量筒，以及尋求高校專家的驗證。所以就想出了本文中的第四步，證明兩個量筒誤差不大。2. 做實驗時還和水的深度有關(guān)，也許他們做的時候水不夠深。這一點其實在我