论文1:酒精与水混合后体积变小的真正原因 - 图文

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学科论文:初中科学

酒精与水混合后体积变小的真正原因

作者: 张胜 手机15268649357

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【内容提要】:酒精与水混合后体积变小的最佳解释是:“一则是因为水分子、酒精分子进入了彼此的空隙;二则,也是主要原因,是因为压强增大后把分子之间的空隙压小了。因为我把五十毫升的酒精和五十毫升的水混合后变成93毫升,体积减小了7毫升。但是我把这93毫升分两个量筒装后却变成了97毫升了。也就是说压强使它压缩了4毫升,而彼此进入对方分子的空隙中只改变了3毫升。所以压强是主因,而彼此进入对方的空隙是次因。而且随液体的深度的增加,压强所起的作用将更大。

【关键词】:分子运动论 分子群 体积变小 空隙 斥力 压强 【正文】:

一、实验才会有科学新发现

上学期我校搞教研活动,金东区初中科学青年教师培训班集中学习活动在我校举行,有两位教师上了公开课。上完课后再进行评课,然后教研员张成生老师进行讲座。讲座的课题是《怎样在初中科学教学中落实有效教学框架》。

活动间隙,张老师让我做个实验探究一下。他说:“在做分子间存在空隙的实验时,他发现了一个问题。我们把水和酒精各取五十毫升后马上混在一起后,发现体积减小程度比较大。但是把水和酒精各取五十毫升后,放置一节课或更长一段时间后,发现它的体积减小程度有所下降。”张老师问我:“这是什么原因呢?”

我说:“我从来没碰到过这个问题,让我想想看。”过了三、四分钟后,我说:“也许放置一段时间后,许多分子凝聚成团,在此我把它命名为分子群。时间越久这个分子群就越大,分子群也越多。所以分子及分子群只能相互进入分子群之间的空隙,许多分子就无法进入群内分子之间的空隙。比如在做七年级上册科学课本中的黄豆和沙的模拟实验时,如果沙长时间放置,结成块后,再和黄豆混合,其体积的减小程度也不大。所以,两种液体时间放置久了后不仅水分子形成许多分子群,酒精分子也会形成许多分子群,这样体积地减小程度会更加不明显了。”

这一说法既得到了张老师也得到了各位科学教师的认可,但是必须得通过实验来验证一下这个猜想。

张老师也建议我去做一下实验,认真探究一下是什么原因,顺便写下相关的文章。

于是,今天(2011年11月4日)一早,我就准备了实验器材及所需的物质。马上动手做了分子间存在空隙的实验。

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实验的结果正像张老师说得一样,放置一段时间后现象变得不明显。那么我的猜想是分子群增大及增多,而倒液体时会打破这种分子群。所以我就多倒几次,再加上多次搅拌,这一现象就明显多了。倒水与搅拌都可以把分子群打破,由此也证明了我的猜想。

实验过程中我还发现了一个很奇怪的现象,就是把混合后得到的93毫升的酒精溶液再分两个量筒装,结果发现相加后却不止93毫升,一个量筒中是50毫升,而另一个是47毫升,共有97毫升左右。当时我就感觉很奇怪,一开始还以为自己做错了、量筒不精确或是看错了。

于是就往一个量筒中倒入了100毫升的水,再把这100毫升的水,分成两个量筒装,结果相加后也是超过100毫升。一个量筒是50毫升,另一个量筒却有55毫升左右,加起来就有了105毫升。

其实我们也可以反过来说,把一个50毫升的水,还有一个55毫升的水,混在一起,却只有100毫升的水了。

为了验证这一结果,我再做了类似的实验。分别用两个量筒量取50毫升的水,再把它们混合在一起,结果发现只有95毫升。就是不用水和酒精混合,直接用水和水混合,混合后的体积也减小了。

为了防止实验误差,及学校装备的落后使实验不精确。我又换成精确度更高的量筒。我取两个量程是10毫升的量筒,最小刻度值从原来的1毫升精确到0.1毫升。然后各量取5毫升水,再把它们混合后,结果只有9.7毫升。请注意和上次实验比减小程度下降了。

然后取不同量的水继续做实验都得出了类似的结果。我终于恍然大悟。原来我们科教书中用水和酒精混合的实验来证明分子间存在间隔,它存在错误。实验本身证明分子之间存在间隔应该没错,可是解释却错了。

所以,我们以后证明分子间存在间隔的实验可以改为50毫升水和50毫升水混合,结果发现体积也变小了,这说明分子间存在间隔。只不过解释得改了,应该这样解释:由于把两部分水混合后,水的深度增加了,底部的压强增大了,在较大压强下,水分子间的空隙变小了。

当然,如果我们还是用课本上的实验,更正确地解释是:“一则是因为水分子、酒精分子进入了彼此的空隙;二则最主要的一点是压强增大了,把分子之间的空隙压小了。”为了证明这一点,我在两个量筒中各装50毫升的水,先把一个量筒中的水倒入了一个截面积很大的圆形水槽中,记录其刻度。再把另一量筒中的水倒入水槽中,测量后发现总体积没有变化。这是因为,要使分子间的空隙压缩,必须要有一定的力,也就是要有一定的深度。我把这个能压缩体积的最小深度叫做临界深度。此时体积没变,是因为水的深度还没达到这个临界深度。这个比较实验也证明了我的猜想:“深度增加压强增大后使分子间的空隙变小了。”

改进后的实验有几个优点,一是节约资源,我们用酒精和水混合虽然也可以用改进后的解释,但做过实验后往往倒掉,浪费了酒精资源。二则,实验物质很方便,我们不必到实验室取酒精,直接用自来水就行了。三则,解释的理论弥补了原先解释的错误,酒精与水混合体积变小。除了一个进入彼此的空隙的理由外,另一个理由是:“由于压强增大使分子间的间隙变小了。”

由此,我们可以得出几个猜想:

1. 深度达到临界深度时,水的底部分子间的空隙比较小。

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2. 同样是水其实也不是均匀的,如果水深达到一定程度后,上层水分子疏,下层水分子密。

3. 海水底部的密度要比表面水的密度大的多。

4. 我们在配制一定质量分数的溶液时,不能用量筒测量水的体积,否则会造成误差。应该用天平称量水的质量。

5. 不同的液体其临界深度不同。

6. 同种液体在不同的温度下它的临界深度也不同。

那么除了水是不是其他液体也有类似现象呢?是不是还和分子的大小,相对分子质量及液体的密度有关呢?

于是,我用酒精继续做实验。 取两个量程是100毫升的量筒,然后各量取50毫升酒精,再把它们混合后,结果也变成了95.5毫升。根据结果我们发现两个液体体积变小得程度不同,从中也说明了还和液体的种类有关。

为了实验更准确,我又换成精确度更高的量筒。我取两个量程是10毫升的量筒,最小刻度值从原来的1毫升精确到0.1毫升。然后各量取5毫升酒精,再把它们混合后,结果还是10毫升。

那么为何会出现这种现象呢?我深入思考后觉得,这又是一个大进步。因为,要减小液体分子间的空隙,必须要有一定的力来克服液体分子间的斥力,而每一种液体分子所需要力的大小是不同的。我们就可以用这种方法来测出不同液体分子之间斥力的大小。打个比方,我做的这个10毫升酒精地混合实验,说明了混合后的深度所产生的压强还不能克服酒精分子之间的斥力,所以混合后体积不减少。而用100毫升做的这个实验,它产生的压强就可以克服酒精分子间的斥力,所以体积减小了。我们只要用实验得出每种液体能减少体积的临界深度,就可以计算出该种液体分子之间斥力的大小。

我可以用右图来说明问题。

如图,如果此时,把它分成两个量筒装,其总体积变小。但是,稍稍降低液面深度后,分两个量筒装体积却不变,我们就把这个深度叫做临界深度。

当深度等于或超过此深度时,体积就可以被压缩。而且深度越深压缩程度越大,并且不同的深度压缩程度不同,如下图。

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离液面的深度等于临界深度,分子间没有被压缩。而在以下,则都被压缩,

而且深度越深压缩程度也越大。

二、新发现验证之路是坎坷的

我在2011年11月4日,写了《科学新发现:酒精与水混合后体积变小的真正原因》。经过我上百次的实验,最终形成了一定的理论。然后到处向各报刊、科学杂志及科学论坛投稿。我的这一发现从投稿难,到没有一个平台可以尽快尽早的展示科研成果,最后终于在《中国科普博览》中发表。

后来也接受了金华日报吴俊斐编辑的采访,当着她的面再次成功的做出实验。后来她又去请教两位教师及一位教授,把他们的意见反馈给我。

“对于这种现象的研究,据我所知在中学科学老师中间,还没有人提出过这个概念,也没有人研究过。”某某老师说,张胜老师所做到实验确实发现了一些东西,但不能称之为新发现,只能说是一个粗略的实验现象,不能过早下结论。

“一个大气压要76厘米的水银柱才能产生,50毫升的水能产生多少压强?”楼老师认为,50毫升酒精和50毫升水混合总体积小于100毫升的原因是分子间存在间隙引起的,压强可以忽略不计。

“我们按照他的实验步骤做了多次实验,发现100毫升水分装到两个量筒里,在读数上没有发生那么大的变化,误差在0.1毫升左右,也就是说100毫升水分成两个量筒装,结果不可能是一个量筒是50毫升,另一个量筒却有55毫升,加起来有105毫升。可能他读数的时候有误差。”浙师大专家在和学生按照张胜的实验方法,多次实验,并将自己和张胜的实验结果一起放到浙师大有关论坛上进行了探讨,最后大家认为,在这个实验中,压强的变化不可能引起体积那么大的变化。黄仕华说,压强对体积的影响本来就存在,但是次要因素,初中教科书之所以没提到,可能和这是一个初中生的实验有关,教科书表述没那么复杂。

“尽管我们做不出张胜的实验效果,但我和我的学生都认为他那种探究科学的精神值得鼓励,也值得我们大家学习。”浙师大专家,张胜对科学真理的认真劲令人佩服,也让人尊敬。

看完吴编辑的反馈后,我马上进行了回复。

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1. 其实,这一现象如果是真的,那肯定应该是新发现,因为在我之前还没有人发现过。当然如果是错误的必须得找出错误的原因。我们故且不说这是不是新发现,我先提出另两位的不当之处。

2. 楼老师说的有严重错误之处。一则,他不能说50毫升水产生压强。因为说液体的压强不能说体积,而应该说深度。他作为物理教师不应该犯这种错误。二则,分子本来就是微观的,无需多大的压强。我可以举出许多现实的例子来反驳他。

比如著名的科学家帕斯卡曾经做过的一个实验:帕斯卡在一只完好的木桶上面加上一个严实的盖子。然后在盖子的中心挖出一个不大的孔,将一根长铁管插入小孔中,再慢慢地将桶里装满水,这时并没有什么现象发生。然后他站在一个房子的阳台上,只往管子里倒入了一杯水,惊人的现象出现了:一杯水竟使木桶压破了!

由帕斯卡的实验我们知道,压强与体积无关,却和深度有关,深度越大压强越大。

一桶水都没有把水桶压破,一杯水又怎么会产生如此巨大的力量呢?原来木桶的破与不破,并不是由桶内水的重量大小甚至体积大小来决定的,而是由水对桶壁的压强大小来决定的。

我们还可以根据液体内部的压强公式P=?gh得出:液体所产生的压强与液体的深度和液体的密度有关,而与水的体积和重力无关。 由此证明了楼老师的错误。

3.专家说做这个实验时没有我这种效果,我想我们必须得找到为何会和我的结果有较大的出入。更何况你们上次也看到过,我把100毫升分两个量筒装确实是50毫升+55毫升,所以应该不是读错的原因,因为这种错误是非常低级的,也是可笑的,相差这么大不能说是误差了。所以专家的结论说我读数有误差是不科学的,误差不会相差这么大。为了科学真理,也是慎重考虑,我建议先慢点发表文章,能否让我和专家一起把这一出入解决了再发。

第二天,仔细分析了一下原因,然后把专家无法做成这个实验的原因又发给了吴编辑。

我说:“我仔细分析了一下,专家为何没能做出我的实验效果?大致有如下的原因。

1. 我做的实验是11月4号,那时的气温高,而专家做实验时是12月6号,此时气温低。因为气温低了,水分子间的空隙会变小,所以此时所需的压强要大一点才能压缩。就如蓬松的沙子易压缩,而实的沙子难压缩一样。正如我前面文章中所写的一样,压缩程度与临界深度和气温有关。

2. 也许他们做实验时水的深度不够。”

后来,在吴编辑的安排下,我在12月9号下午和专家见面了。在他办公室聊了一会儿,他打电话叫来了几个教师。两位教师带着实验器材过来了,我一看他们带的两个量筒,马上说:“这两个量筒太矮,能否换高一点的。”他们说:“用这两个量筒也做出了效果,就是只差二毫升。”我说:“最好再拿高的来,因为,一则你们的量筒高度没我做的时候高,二则现在气温也比较低。”然后专家、吴编辑、两位教师和我一行来到了实验室。

我当着他们的面,再次做了这个实验,虽然他们换了大量筒,但水的深度也没我做的时候深,我还是做出了理想的效果。专家非常严谨,他也像我第一天发

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现时一样,反反复复的做了许多次。我们从四点钟左右,一直做到五点四十分钟左右。最后专家说:“也许是溶解氧的原因。”我马上反驳:“错了,溶解氧影响没这么大。就是把白糖放

进水中,体积变化都不会很明显,更何况是溶解氧?”我又说:“我现在非常自信了,因为我已预测出您们先前不成功的原因,现在改成高一点的量筒就能做出来了。说明我已形成了一定的理论,如果现在的气温回到11月4日,那效果会更明显。不信的话,你们可以用开水调成温水试试。”

在实验中,我又有了新感悟。我们平时说的是量筒越细,越精确,这是非常有理的。因为,此时体积相差一点点,高度就会相差很大。但是从某个角度说用粗的量筒也会比细的量筒更能说明问题。

如右图。量筒中的水面呈凹形,我们读数时视线应该与凹形液面的最低处相平。如左图,所以此时水的体积为85毫升。

下面就用图来解释一下为何有时用粗的量筒好呢?

如上图,左边是管径较细的量筒,而右边是管径比较粗的量筒。根据读数时视线应该与凹形液面的最

低处相平的原则,我们可以看到,液体的真实体积要比读数大,相差黄色部分的体积,即我们的读数其实是偏小的。

我可以用公式表示为: V读数=V实际-V黄色

根据图,我们很明显可以看出来,细量筒的黄色部分所占的比例要大,而粗量筒的黄色部分所占的比例小的多。

为何我要说我的这个感悟呢? 因为,我把100毫升的水倒入两个量筒中。一个量筒中的100毫升水,原本是减小一部分

的体积,现在倒入两个量筒中了,体积就要减小两部分了。虽然减小得更多了,我们的实验却还是发现总体积增大了。说明我的新发现确实是存在的。

三、预测是证明新理论对错的很好方法

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12月15日,都市快报的记者张一诺采访了我。我当着她的面,用开水和冷水兑成20℃的温水,再次成功的做出了11月4日时的实验效果。因为当时,2011年11月4日的气温是19~26℃。

第一步,调好温水(过冷的水会影响实验效果),模拟11月4号时的气温,调成20℃左右。拿出两个刻度为100毫升的大量筒,将右边的量筒灌水100毫升。如图一:

第二步,将右边量筒中的水倒到左边的量筒中,快到50毫升时,改用胶头滴管滴入,直到左边量筒的水达50毫升。如图二:

这时,对比两个量筒就会发现一个奇怪的现象:“右边的量筒明明已经倒出50毫升水,可还剩下55毫升水。”如图三:

第三步,再将50毫升水倒回到量筒里,还是100毫升水。

第四步,为了证明两个量筒误差不大,又把右边量筒中的水全部倒进左边量筒,结果发现还是100毫升。如图四:

张记者回去后也采访了浙师大的专家,下面引用张一诺记者在都市快报中的一段话,如下:

专家也做了这个实验,一开始实验没成功,换成大量筒之后,这个神奇的现象又出现了。 他说,“以前还真没什么人关注到这一现象,很佩服张老师的探索心,不过我的分析理由和张老师不太一样,我觉得这和水表面的分子与空气的接触面积有关,水表面接触空气后,一部分空气会融入到水中,导致水的表观高度变高,而接触面小了,融入的空气少了,表观高度就会变低,分装成两个试管,接触空气的面积就大了,表观高度就会高一些,压强也是其中一部分原因。”

而我有四个疑问,觉得专家的说法有值得商榷的地方:

一则,气体在水中的溶解度很小,一般情况下,水放那么久了早就饱和了。

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二则,假设真的是气体溶入其中造成的,气体溶解在水中对体积的影响不会这么大。就是把白糖放到盛满水的杯子中,水也不会溢出。

三则,假设专家的说法是对的,那他们第一次用低一点的量筒也能做出来。但是在金华日报吴俊斐记者采访他后,他们模拟了我的实验却不能成功。在吴记者联系我后,我分析了几个原因,在上文中有描述。根据我的预测,让他们改成高一点的量筒就成功了。

四则,在吴记者的引荐下,我在12月9日和专家见面了。当时的气温是﹣1~9℃。在此对吴记者表示非常的感谢!

一开始他们带来了两个比较低的量筒,在我的要求下,他们换下低量筒,重新找了两个高一点的量筒。我当着他们的面做了100毫升加100毫升小于200毫升的实验,结果很满意。但是200毫升的水深还没有我首次做实验的时候高。这说明了什么?我是做50毫升加50毫升小于100毫升的,水却比他们200毫升的要深。那就是他们现在用的量筒要比我做的量筒粗,根据专家说的和接触面积有关,那应该做“100+100<200”的实验现象明显一点。可实际上却还不如我第一次实验来的明显。根据控制变量法,可以排除面积这个因素了,而得出和深度有关,也就是和压强有关。

除了以上四个疑问,其实还有一种方法可以检验新理论的对错。要检测一个新理论是否正确,最好的方法是预测。预测可以去伪存真。比如:元素周期表是1869年俄国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首创的,他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列,把有相似化学性质的元素放在同一行,就是元素周期表的雏形。利用周期表,门捷列夫成功的预测当时尚未发现的元素的特性(镓、钪、锗)。正因为元素周期表可以预测未发现的元素,所以它是正确的。 同理,一开始金华日报吴俊斐记者先来了解我的实验。她很慎重,所以将我写的文章给专家看。专家看过我的文章后根据我的描述进行了实验,可是却无法做出效果。吴记者把这个情况反馈给我,我仔细分析,并预测了三个原因: 1. 我们学校的仪器不精确,这我在一早就怀疑了。所以我做了许多实验并换用精确度更高的小量筒,以及寻求高校专家的验证。所以就想出了本文中的第四步,证明两个量筒误差不大。

2. 做实验时还和水的深度有关,也许他们做的时候水不够深。这一点其实在我的首篇文章《酒精与水混合后体积变小的真正原因》中早就说明了。 3. 还和气温有关,我做实验时气温高,而专家做实验时气温低。水有一个特性就是4摄氏度时密度最大,也就是说分子间的空隙最小。我查了气温,2011年11月4日的气温是19℃至26℃,而这几天气温明显下降了。”

然后,我在12月9日下午三点半在吴记者的引荐下和专家首次见面。看到他们带来的量筒比较低,我马上就建议他们换成高一点的量筒,结果成功的做出了实验。当时气温低,我临走时还建议他们兑成20℃左右的水重新再试试。这些都是在我的预测之下而成功的,所以我对自己现在所形成的一套理论非常自信。

四、总结科学新发现

1.根据五十毫升酒精与五十毫升水混合后体积的缩小程度,彼此进入对方分

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子的空隙让它体积减小3毫升,而由于液体深度产生的压强就可以让它减小4毫升。根据这个实验结果,我们可以知道总体积减小了7毫升,可是此时的深度产生的压强就有让液体体积减小了4毫升,明显高于彼此进入对方分子空隙所减小的体积。所以,在此时的深度下,压强产生的影响要高,就成了主因。 2.专家说:“这和水表面的分子与空气的接触面积有关。”为了证明专家的说法,我又做了对照实验。专家说和水与空气的接触面积有关,那么就是量筒的粗细,所以,我还是用首次做实验时的液体深度,取四个量筒,两个粗一点,粗细相同;两个细一点,粗细相同。然后重做了实验,结果发现体积减小程度一样。为了再确定一点,我又用了粗细程度相差较大的两组四个量筒重做了实验,结果还是一样。按照专家的说法,粗细会影响实验结果,现在没影响,所以根据控制变量法可以得出和粗细无关。

3.根据我的多次实验,我也得出了:“此实验还和液体种类、气温及混合后的液体深度有关。”

由此可见,科学探索之路是曲折的,但只要用心及及时和专家交流,那么可以把这曲线拉的直一点!

[参考文献]

[1] 朱清时 《科学》 浙江教育出版社,2001年 [2] 张一诺 《都市快报》 2011年 [3] 吴俊斐 《金华日报》 2011年

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/trop.html

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