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(xué) 三年1班 張雅茵、盧沁瑤 指導(dǎo)老師：黎彥君本學(xué)期（三年級(jí)第二學(xué)期）科學(xué)課本第6單元冷與熱中有一句話(huà)（P66頁(yè)）：“水有熱脹冷縮的性質(zhì)，空氣有熱脹冷縮的性質(zhì)，銅球有熱脹冷縮的性質(zhì)許多物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)?！蔽蚁耄?、為什么說(shuō)“許多物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)”而不說(shuō)“所有物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)”呢？是不是有些物體不會(huì)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(shuō)：你的想法很好！我們學(xué)習(xí)科學(xué)，就是要有你們這種多問(wèn)幾個(gè)“為什么？”的精神。我從資料上見(jiàn)過(guò)，確實(shí)有些物體不會(huì)熱脹冷縮的，比如水在0-4攝氏度時(shí)，不但不會(huì)“熱脹冷縮”

2、，反倒過(guò)來(lái)“熱縮冷脹”。但我沒(méi)有驗(yàn)證過(guò)，我和你們一起通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下好嗎？同時(shí)還可以研究下一下水在不同溫度時(shí)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(shí)， “熱縮冷脹”的情況（因?yàn)橐鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)要有個(gè)比較大的冰箱）。黎老師與我們一起制作和改進(jìn)了三年級(jí)下冊(cè)課本第63頁(yè)“水的體積變化觀察”中的實(shí)驗(yàn)裝置，在原裝置的橡皮塞中多插了一條溫度計(jì)（如下圖）。實(shí)驗(yàn)一：研究水在10攝氏度到60攝氏度之間溫度上升或下降時(shí)，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?yàn)樵?-10攝氏度這個(gè)范圍中，0-4攝氏度可能會(huì)出現(xiàn)反?，F(xiàn)常，所以不選這一溫度范圍，

3、而超過(guò)60攝氏度的水容易燙傷人，所以也不選用）因?yàn)楝F(xiàn)在是夏天，自然水溫在二十幾到三十?dāng)z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(shí)驗(yàn)：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(dāng)溫度上升到40、50、60攝氏度時(shí)，分別在玻璃管上劃下水位高度。然后，等水溫下降，準(zhǔn)備記錄20、10攝氏度時(shí)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(shí)的水位高度。然后，把玻璃管上的刻度復(fù)制在白紙上，用尺子量

4、出每個(gè)溫度范圍水位升降的幅度。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，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(shí)驗(yàn)液柱上升距離（MM）2837313871從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，水在10-60攝氏度時(shí)，是會(huì)熱脹冷縮的，而且在多數(shù)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(shí)幅度是28MM，而50-60攝氏度時(shí)幅度是71MM。但是奇怪的是30-40攝氏度時(shí)幅度反而比20-30攝氏度時(shí)的幅度小6MM，是不是我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程有問(wèn)題呢？我們決定做第二實(shí)驗(yàn)。附：第一次實(shí)驗(yàn)圖片實(shí)驗(yàn)裝置圖第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)第二次實(shí)驗(yàn)：我們分析，可能是第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們太焦急了，加熱和冷

5、卻速度太快，而燒瓶中水的對(duì)流比較慢，所以瓶中各處的水溫不同，而溫度計(jì)只是測(cè)量了瓶中一個(gè)位置的溫度，所以當(dāng)溫度計(jì)顯示30度時(shí)，可能其他位置的水溫是28度或32度，所以做成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)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(lái)先記錄下10攝氏度時(shí)的水位高度；然后讓它自然升溫，再記錄下20攝氏度時(shí)的水位高度；再等自然升溫到28攝氏度時(shí)，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?jī)?nèi)的水溫緩慢地分別上長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表：溫度變化范圍（攝

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

7、0度時(shí)，液柱上升了34MM溫度從30度上升到40度時(shí)，液柱上升了42MM溫度從40度上升到50度時(shí)，液柱上升了48MM溫度從50度上升到60度時(shí)，液柱上升了64MM溫度變化與液柱上升高度對(duì)照全圖第三次實(shí)驗(yàn)：第一次實(shí)驗(yàn)是先升溫測(cè)量30、40、50攝氏度的數(shù)據(jù)，然后降溫測(cè)量20、10攝氏度的數(shù)據(jù)。第二次實(shí)驗(yàn)是先把溫度降至10攝氏度后，再讓它緩慢升溫，依次測(cè)量20、30、40、50、60度的數(shù)據(jù)。第三次調(diào)過(guò)來(lái)，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(shí)的水位高度。

8、為了便于觀察，本次實(shí)驗(yàn)前，我們先在水里加了點(diǎn)紅墨水。這一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下表：溫度變化范圍（攝氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第三次實(shí)驗(yàn)液柱上升距離（MM）2343394465第三次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與第二次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較接近，結(jié)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(shí)驗(yàn)圖片60攝氏度時(shí)的液柱高度50攝氏度時(shí)的液柱高度40攝氏度時(shí)的液柱高度30攝氏度時(shí)的液柱高度20攝氏度時(shí)的液柱高度10攝氏度時(shí)的液柱高度溫度從10度上升到20度時(shí)，液柱上升了23MM溫度從20度上升到30度時(shí)，液柱上升了34MM溫度從30度上升到40度時(shí)，液柱上升了42MM溫度從40度上升到

9、50度時(shí)，液柱上升了48MM溫度從50度上升到60度時(shí)，液柱上升了64MM溫度變化與液柱上升高度對(duì)照全圖三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：溫度變化范圍（攝氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第一次實(shí)驗(yàn)（混合法）液柱上升距離（MM）2837313871第二次實(shí)驗(yàn)（升溫法）液柱上升距離（MM）2334424864第三次實(shí)驗(yàn)（降溫法）液柱上升距離（MM）2343394465根據(jù)上表的數(shù)據(jù)綜合分析，水在10-60攝氏度的范圍內(nèi)，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(gè)范圍內(nèi)，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(shí)冷縮的幅度較大。實(shí)驗(yàn)二：觀察水在0-4攝氏度的體積變化情況因做這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，而家里的冰箱不能滿(mǎn)足這些要求，怎么辦呢？后來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí)驗(yàn)：我們把上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置放入冰箱中，等了三個(gè)多小時(shí)，很不容易才等到溫度降到0攝氏度。當(dāng)我們把裝置拿出來(lái)觀察時(shí)，見(jiàn)到在0-4攝氏度時(shí)，玻璃管里的水柱雖然有變動(dòng)，但變動(dòng)的范圍很小，只有一毫米左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很不明顯。黎老師說(shuō)，由于在0-4攝氏度的變化過(guò)程中，水的體積變化微小，這次實(shí)驗(yàn)用的玻璃管太粗了，所以水柱的高度變化不明顯。于是，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室

11、中找來(lái)最細(xì)的玻璃管，重制作了一個(gè)裝置。重新做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，又遇到了另一個(gè)新問(wèn)題。本來(lái)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(shí)就結(jié)冰了，而我們把裝置冷卻四小時(shí)后觀察，發(fā)現(xiàn)瓶中的水未結(jié)冰，而溫度計(jì)卻顯示-2攝氏度。這就說(shuō)明了溫度計(jì)不準(zhǔn)確。我們跑到實(shí)驗(yàn)室，把全部溫度計(jì)取出來(lái)，一對(duì)比，各支溫度計(jì)讀數(shù)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(shè)我們?nèi)?0支溫度計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)

12、溫度從0上升到1攝氏度時(shí),液柱向下降,到1攝氏度時(shí)降到最低,然后隨溫度上升而上升,到5攝氏度時(shí),液柱高度回復(fù)到0攝氏度時(shí)的高度，之后繼續(xù)隨溫度上升而上升。也就是說(shuō)，1-4攝氏度比0攝氏度高，但體積卻比0攝氏度時(shí)小，所以說(shuō)水在0-4攝氏度時(shí)“熱縮冷脹”。從嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)，水在0-1攝氏度時(shí)才是真正的“熱縮冷脹”。而超過(guò)1攝氏度到4攝氏度這個(gè)溫度范圍，水還是會(huì)“熱脹冷縮”的，只不過(guò)是從整體上來(lái)看，這個(gè)溫度范圍的體積比0攝氏度時(shí)小。附第一次實(shí)驗(yàn)圖片：0攝氏度時(shí)液柱高度0.1攝氏度時(shí)液柱高度1攝氏度時(shí)液柱高度3攝氏度時(shí)液柱高度4攝氏度時(shí)液柱高度5攝氏度時(shí)液柱高度8攝氏度時(shí)液柱高度實(shí)驗(yàn)裝置第二次實(shí)驗(yàn)：因做這

13、個(gè)實(shí)驗(yàn)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(huì)很快升高，動(dòng)作稍慢便來(lái)不及記錄、拍攝。而且吸取之前研究過(guò)程中溫度快速變化會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的教訓(xùn)，這一次實(shí)驗(yàn)，我們?cè)谂P式冰箱中放張小凳，把裝置放在凳面上，這時(shí)整個(gè)燒瓶都在冰箱中，而溫度計(jì)和玻璃管露在上面，剛好可以觀察和拍攝。0攝氏度時(shí)液柱高度1攝氏度時(shí)液柱高度（1）1攝氏度時(shí)液柱高度（2）2攝氏度時(shí)液柱高度3.5攝氏度時(shí)液柱高度4攝氏度時(shí)液柱高度5攝氏度時(shí)液柱高度6攝氏度時(shí)液柱高度實(shí)驗(yàn)二：觀察水在0-4攝氏度的體積變化情況因做這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，而家里的冰

14、箱不能滿(mǎn)足這些要求，怎么辦呢？后來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí)驗(yàn)：我們把上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置放入冰箱中，等了三個(gè)多小時(shí)，很不容易才等到溫度降到0攝氏度。當(dāng)我們把裝置拿出來(lái)觀察時(shí)，見(jiàn)到在0-4攝氏度時(shí)，玻璃管里的水柱雖然有變動(dòng)，但變動(dòng)的范圍很小，只有一毫米左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很不明顯。黎老師說(shuō)，由于在0-4攝氏度的變化過(guò)程中，水的體積變化微小，這次實(shí)驗(yàn)用的玻璃管太粗了，所以水柱的高度變化不明顯。于是，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中找來(lái)最細(xì)的玻璃管，重制作了一個(gè)裝置。重新做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，又遇到了另一個(gè)新問(wèn)題。本來(lái)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(shí)就結(jié)冰了，而我們把

15、裝置冷卻四小時(shí)后觀察，發(fā)現(xiàn)瓶中的水未結(jié)冰，而溫度計(jì)卻顯示-2攝氏度。這就說(shuō)明了溫度計(jì)不準(zhǔn)確。我們跑到實(shí)驗(yàn)室，把全部溫度計(jì)取出來(lái)，一對(duì)比，各支溫度計(jì)讀數(shù)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(shè)我們?nèi)?0支溫度計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)溫度從0上升到1攝氏度時(shí),液柱向下降,到1攝氏度時(shí)降到最低,然后隨溫度上升而上升,到5攝氏度時(shí),液柱高度回復(fù)到0攝氏度時(shí)的高度，之后繼續(xù)隨溫度上升而上升。也就是說(shuō)，1-4攝氏度比0攝氏度的溫度高，但體積卻比0攝氏度時(shí)小，所以說(shuō)水在0-4攝氏度時(shí)“熱縮冷脹”。從嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)，水在0-1攝