水在不同溫度下體積變化的研究

1、PAGE PAGE 13水在不同溫度下體積變化的研究研究者：金蘭苑小學 三年1班 張雅茵、盧沁瑤 指導老師：黎彥君本學期（三年級第二學期）科學課本第6單元冷與熱中有一句話（P66頁）：“水有熱脹冷縮的性質，空氣有熱脹冷縮的性質，銅球有熱脹冷縮的性質許多物體都有熱脹冷縮的性質?！蔽蚁耄?、為什么說“許多物體都有熱脹冷縮的性質”而不說“所有物體都有熱脹冷縮的性質”呢？是不是有些物體不會熱脹冷縮呢？2、物體的熱脹冷縮有些什么規(guī)律呢？黎老師說：你的想法很好！我們學習科學，就是要有你們這種多問幾個“為什么？”的精神。我從資料上見過，確實有些物體不會熱脹冷縮的，比如水在0-4攝氏度時，不但不會“熱脹冷縮”

2、，反倒過來“熱縮冷脹”。但我沒有驗證過，我和你們一起通過實驗來驗證一下好嗎？同時還可以研究下一下水在不同溫度時的體積變化。我們決定先研究水在不同溫度下“熱脹冷縮”的情況，然后再研究水在0-4攝氏度時， “熱縮冷脹”的情況（因為要做這個實驗要有個比較大的冰箱）。黎老師與我們一起制作和改進了三年級下冊課本第63頁“水的體積變化觀察”中的實驗裝置，在原裝置的橡皮塞中多插了一條溫度計（如下圖）。實驗一：研究水在10攝氏度到60攝氏度之間溫度上升或下降時，每上升（或下降）10攝氏度，水脹（或縮）的幅度是不是都一樣的。（因為在0-10攝氏度這個范圍中，0-4攝氏度可能會出現反?，F常，所以不選這一溫度范圍，

3、而超過60攝氏度的水容易燙傷人，所以也不選用）因為現在是夏天，自然水溫在二十幾到三十攝氏度之間，所以我們用冰箱冷藏的方法把水溫降到10攝氏度，用熱水泡浸的方法把水溫升到60攝氏度。第一次實驗：常溫下水的溫度是28攝氏度，所以我們把裝置泡在電磁爐上的水鍋中加熱到30攝氏度，然后在玻璃管上劃下水位高度。繼續(xù)加溫，當溫度上升到40、50、60攝氏度時，分別在玻璃管上劃下水位高度。然后，等水溫下降，準備記錄20、10攝氏度時的高度，但溫度降得很慢，于是我們把裝置泡在涼水中，讓它快速降溫，然后放入冰箱中，使溫度繼續(xù)下降，分別記錄下20、10攝氏度時的水位高度。然后，把玻璃管上的刻度復制在白紙上，用尺子量

4、出每個溫度范圍水位升降的幅度。根據測量的數據，做出下面的記錄表：溫度變化范圍（攝氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第一次實驗液柱上升距離（MM）2837313871從實驗結果可以看出，水在10-60攝氏度時，是會熱脹冷縮的，而且在多數情況下面，溫度越高熱脹冷縮的幅度越大。比如在10-20攝氏度時幅度是28MM，而50-60攝氏度時幅度是71MM。但是奇怪的是30-40攝氏度時幅度反而比20-30攝氏度時的幅度小6MM，是不是我們的實驗過程有問題呢？我們決定做第二實驗。附：第一次實驗圖片實驗裝置圖第一次實驗數據第二次實驗：我們分析，可能是第一次實驗時，我們太焦急了，加熱和冷

5、卻速度太快，而燒瓶中水的對流比較慢，所以瓶中各處的水溫不同，而溫度計只是測量了瓶中一個位置的溫度，所以當溫度計顯示30度時，可能其他位置的水溫是28度或32度，所以做成實驗結果不準確。于是我們先把裝置放在冰箱中，讓它先降到10攝氏度，然后取出來先記錄下10攝氏度時的水位高度；然后讓它自然升溫，再記錄下20攝氏度時的水位高度；再等自然升溫到28攝氏度時，把裝置泡在35攝氏度的溫水中，讓它慢慢升溫到30攝氏度，然后慢慢地把泡浸的水溫升高，使燒瓶內的水溫緩慢地分別上長至40、50、60攝氏度，分別在玻璃管上記錄下水位高度。（緩慢升溫的目的是讓瓶中各處水溫相同）第二次的實驗結果如下表：溫度變化范圍（攝

6、氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第二次實驗液柱上升距離（MM）2334424864這次實驗的結果顯示：溫度越高水熱脹冷縮的幅度越大。但對比第一次實驗的結果，兩次數據出入比較大，如30-40攝氏度時，第一次31MM，第二次是42MM，相差了11MM，又如50-60攝氏度時，第一次是38MM，第二次是48MM，差了10MM。哪個數據更可信呢？我們決定再做一次實驗。附第二次實驗圖片10攝氏度時的液柱高度20攝氏度時的液柱高度30攝氏度時的液柱高度40攝氏度時的液柱高度50攝氏度時的液柱高度60攝氏度時的液柱高度溫度從10度上升到20度時，液柱上升了23MM溫度從20度上升到3

7、0度時，液柱上升了34MM溫度從30度上升到40度時，液柱上升了42MM溫度從40度上升到50度時，液柱上升了48MM溫度從50度上升到60度時，液柱上升了64MM溫度變化與液柱上升高度對照全圖第三次實驗：第一次實驗是先升溫測量30、40、50攝氏度的數據，然后降溫測量20、10攝氏度的數據。第二次實驗是先把溫度降至10攝氏度后，再讓它緩慢升溫，依次測量20、30、40、50、60度的數據。第三次調過來，先用熱水泡燒瓶，使瓶中的水溫升到65攝氏度，然后讓裝置就泡在熱水里自然降溫（這樣使瓶中的水溫更均勻），到常溫后再放入冰箱中降溫，分別記錄下60、50、40、30、20、10攝氏度時的水位高度。

8、為了便于觀察，本次實驗前，我們先在水里加了點紅墨水。這一次實驗的結果如下表：溫度變化范圍（攝氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第三次實驗液柱上升距離（MM）2343394465第三次實驗的結果與第二次實驗的結果比較接近，結果顯示：大部分情況下水的溫度越高熱脹冷縮的幅度越大。附第三次實驗圖片60攝氏度時的液柱高度50攝氏度時的液柱高度40攝氏度時的液柱高度30攝氏度時的液柱高度20攝氏度時的液柱高度10攝氏度時的液柱高度溫度從10度上升到20度時，液柱上升了23MM溫度從20度上升到30度時，液柱上升了34MM溫度從30度上升到40度時，液柱上升了42MM溫度從40度上升到

9、50度時，液柱上升了48MM溫度從50度上升到60度時，液柱上升了64MM溫度變化與液柱上升高度對照全圖三次實驗數據如下表：溫度變化范圍（攝氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第一次實驗（混合法）液柱上升距離（MM）2837313871第二次實驗（升溫法）液柱上升距離（MM）2334424864第三次實驗（降溫法）液柱上升距離（MM）2343394465根據上表的數據綜合分析，水在10-60攝氏度的范圍內，在大部分情況下，水的溫度越高熱脹冷縮的幅度越大，溫度越低熱脹冷縮的幅度越小。但有例外，就是20-30攝氏度這個范圍內，如果從20度上升到30度，熱脹的幅度較小，而30度降

10、到20度時冷縮的幅度較大。實驗二：觀察水在0-4攝氏度的體積變化情況因做這個實驗需要空間足夠大，而且溫度最好在零下10攝氏度左右的冰箱中才能進行，而家里的冰箱不能滿足這些要求，怎么辦呢？后來我們得到食堂叔叔阿姨的支持，借用他們的冰箱才完成了這個實驗。第一次實驗：我們把上一個實驗的裝置放入冰箱中，等了三個多小時，很不容易才等到溫度降到0攝氏度。當我們把裝置拿出來觀察時，見到在0-4攝氏度時，玻璃管里的水柱雖然有變動，但變動的范圍很小，只有一毫米左右，實驗結果很不明顯。黎老師說，由于在0-4攝氏度的變化過程中，水的體積變化微小，這次實驗用的玻璃管太粗了，所以水柱的高度變化不明顯。于是，我們在實驗室

11、中找來最細的玻璃管，重制作了一個裝置。重新做這個實驗時，又遇到了另一個新問題。本來在正常情況下，水的溫度不可能低于0攝氏度，低于0攝氏度時就結冰了，而我們把裝置冷卻四小時后觀察，發(fā)現瓶中的水未結冰，而溫度計卻顯示-2攝氏度。這就說明了溫度計不準確。我們跑到實驗室，把全部溫度計取出來，一對比，各支溫度計讀數都不同，最高與最低的竟相差4、5攝氏度。怎么辦？黎老師建設我們取10支溫度計放在水杯中，加水后放在冰箱中降溫到冰水混合狀態(tài)，看哪一支溫度計是剛好0攝氏度的，就選用這一支。我們把裝置冷卻到0攝氏度時，把裝置從冰箱中取出，溫度每上升1攝氏度，就在玻璃管上記錄下液柱的面的位置。第一次實驗結果顯示,當

12、溫度從0上升到1攝氏度時,液柱向下降,到1攝氏度時降到最低,然后隨溫度上升而上升,到5攝氏度時,液柱高度回復到0攝氏度時的高度，之后繼續(xù)隨溫度上升而上升。也就是說，1-4攝氏度比0攝氏度高，但體積卻比0攝氏度時小，所以說水在0-4攝氏度時“熱縮冷脹”。從嚴格上來說，水在0-1攝氏度時才是真正的“熱縮冷脹”。而超過1攝氏度到4攝氏度這個溫度范圍，水還是會“熱脹冷縮”的，只不過是從整體上來看，這個溫度范圍的體積比0攝氏度時小。附第一次實驗圖片：0攝氏度時液柱高度0.1攝氏度時液柱高度1攝氏度時液柱高度3攝氏度時液柱高度4攝氏度時液柱高度5攝氏度時液柱高度8攝氏度時液柱高度實驗裝置第二次實驗：因做這

13、個實驗要把裝置放在冰箱中冷卻到0攝氏度，而常溫是30攝氏度，因溫差大，把裝置取出后，溫度會很快升高，動作稍慢便來不及記錄、拍攝。而且吸取之前研究過程中溫度快速變化會影響實驗結果的教訓，這一次實驗，我們在臥式冰箱中放張小凳，把裝置放在凳面上，這時整個燒瓶都在冰箱中，而溫度計和玻璃管露在上面，剛好可以觀察和拍攝。0攝氏度時液柱高度1攝氏度時液柱高度（1）1攝氏度時液柱高度（2）2攝氏度時液柱高度3.5攝氏度時液柱高度4攝氏度時液柱高度5攝氏度時液柱高度6攝氏度時液柱高度實驗二：觀察水在0-4攝氏度的體積變化情況因做這個實驗需要空間足夠大，而且溫度最好在零下10攝氏度左右的冰箱中才能進行，而家里的冰

14、箱不能滿足這些要求，怎么辦呢？后來我們得到食堂叔叔阿姨的支持，借用他們的冰箱才完成了這個實驗。第一次實驗：我們把上一個實驗的裝置放入冰箱中，等了三個多小時，很不容易才等到溫度降到0攝氏度。當我們把裝置拿出來觀察時，見到在0-4攝氏度時，玻璃管里的水柱雖然有變動，但變動的范圍很小，只有一毫米左右，實驗結果很不明顯。黎老師說，由于在0-4攝氏度的變化過程中，水的體積變化微小，這次實驗用的玻璃管太粗了，所以水柱的高度變化不明顯。于是，我們在實驗室中找來最細的玻璃管，重制作了一個裝置。重新做這個實驗時，又遇到了另一個新問題。本來在正常情況下，水的溫度不可能低于0攝氏度，低于0攝氏度時就結冰了，而我們把

15、裝置冷卻四小時后觀察，發(fā)現瓶中的水未結冰，而溫度計卻顯示-2攝氏度。這就說明了溫度計不準確。我們跑到實驗室，把全部溫度計取出來，一對比，各支溫度計讀數都不同，最高與最低的竟相差4、5攝氏度。怎么辦？黎老師建設我們取10支溫度計放在水杯中，加水后放在冰箱中降溫到冰水混合狀態(tài)，看哪一支溫度計是剛好0攝氏度的，就選用這一支。我們把裝置冷卻到0攝氏度時，把裝置從冰箱中取出，溫度每上升1攝氏度，就在玻璃管上記錄下液柱面的位置。第一次實驗結果顯示,當溫度從0上升到1攝氏度時,液柱向下降,到1攝氏度時降到最低,然后隨溫度上升而上升,到5攝氏度時,液柱高度回復到0攝氏度時的高度，之后繼續(xù)隨溫度上升而上升。也就是說，1-4攝氏度比0攝氏度的溫度高，但體積卻比0攝氏度時小，所以說水在0-4攝氏度時“熱縮冷脹”。從嚴格上來說，水在0-1攝