氢气纯度分析仪使用:如何自制虹吸式咖啡壶

装满水
度变化,来检验此项推测「水是因为热涨冷缩的原理而能够
上升至上壶中」是否成立.
(四)实验四:水的体积与水位高度变化关系(Ⅱ)
1,设计想法:
由实验三,我们发现水的体积会影响水位的高度,推测水的体积
越大,则因热涨冷缩,水膨胀而上升的高度越高.
2,变项控制:
(1) 控制变因:烧杯水的体积(750ml)
(2) 操纵变因:水的体积(ml)
(3) 应变变因:水位上升的高度
3,实验步骤:
(1) 使用「虹吸式咖啡壶」隔水加热修正装置,在锥形瓶加入依
序加入327ml,328ml,329ml,330ml,331ml,332ml,333ml
(以填满锥形瓶而不超过蓟头漏斗口为范围)的水,烧杯中
加入750ml的水.
(2) 以附有蓟头漏斗与温度计的双孔橡皮塞紧锥形瓶瓶口,蓟头
漏斗长管末端要尽量插到锥形瓶底部,温度计的底端必须置
放於锥形瓶的中央.
(3) 将酒精灯点燃,置放三角架下,开始加热,观察并纪录水面
变化情形.
4,研究结果:
表四 水的体积与水位高度表(Ⅱ)
水温(℃)
水的
体积(ml)
初温
24
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
327 2.90 3.20 4.204.405.506.17.89.7513.618.3 23.2 27.1
328 6.55 7.00 7.808.159.109.6510.9513.3516.922.2 25.9 29.2(80)
329 10.10 10.45 11.7012.2012.9013.514.116.521 25.9
29.2
(75)
-
330 13.50 13.90 14.8015.1016.1016.618.220.324.4
29.2
(68)
- -
331 17.20 17.50 18.5019.0019.3020.221.325.8528.25
29.2
(71)
- -
332 20.40 21.10 21.70 22.15 23.20 24.9 25.8 27.2
29.2
(63)
29.2 - -
333 24.00 25.10 26.50 26.90 27.10 27.80 28.50
29.2
(57)
- - - -
格内数据表示水位的高度(单位:cm)
9
水的体积越大,则水位的高度越高,与原本假设符合,但是有可能是因为
原始水位比较高的原因,我们将原始高度换算成水位变化差值来比较.
表五 水的体积与水位高度变化表(Ⅱ)
水温(℃)
水的体积(ml)
初温
24
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
327 0.00 0.30 1.30 1.50 2.60 3.20 4.90 6.85 10.7 15.40 20.30 24.20
328 0.00 0.45 1.25 1.60 2.55 3.10 4.40 6.80 10.35 15.65 19.35 22.65
329 0.00 0.35 1.60 2.10 2.80 3.40 4.00 6.40 10.90 15.80 19.10 -
330 0.00 0.40 1.30 1.60 2.60 3.10 4.70 6.80 10.90 15.70 - -
331 0.00 0.30 1.30 1.80 2.10 3.00 4.10 8.65 11.05 12.00 - -
332 0.00 0.70 1.30 1.75 2.80 4.50 5.40 6.80 8.80 - - -
333 0.00 1.10 2.50 2.90 3.10 3.80 4.50 5.20-- - -
平均1ml每1℃上升 0.00 0.02 0.020.020.030.030.040.050.04 0.05 0.06 0.07
水的体积与水位高度变化图(Ⅱ)
-20246810121416182022242628
243035404550556065707580
水温(℃)
水位高度(cm)
327328329330331332333
图五 水的体积与水位高度变化图(Ⅱ)
5,结果讨论:
(1) 从水的体积与水位高度关系图(Ⅱ),可以发现温度越高,
水位的高度越高,图形近似正比,与水的热涨冷缩现象符
合.但是由於水的体积差距不大,因此造成膨胀的差异也不
大
(2) 但是把图五与图四作比较,我们可以发现200ml与250ml
的水在约50~55℃达到顶点,而330ml在约70℃达到顶点,
由此看来200ml与250ml的水变化较大,此点与水体积的热
涨冷缩原理所说的「体积越大,膨胀越大」相违背.而且水
10
体积的膨胀不只是往蓟头漏斗膨胀,也会在锥形瓶膨胀,应
该无法像虹吸管咖啡壶一样让所有的水腾空上至上壶,因此
综合实验三与实验四,虽然水体积的热涨冷缩对水位的高度
有影响,但是并非完全由水的体积决定,应该也与气体的体
积有关系.
(五)实验五:缩短实验时间的改良实验
1,设计想法:
在实验过程中,我们先以平常水温进行一次实验,发现加热的时间
非常长(约40分钟),便思考如何节省实验的时间,我们讨论出两种方
法:(1)将隔水加热的烧杯中的水750ml改为600ml,烧杯的水减少应
该温度会上升的更快;(2)将已加热过的颜料水冷却至28℃后接著进
行下一个实验,可以减去从初温23℃加热至28℃的时间.我们尝试以
这两种方法进行改进实验,却发现水位的变化变得很小,我们认为此项
发现或许与水位上升的原理有关,值得进一步探讨.
2,变项控制:
(1) 控制变因:颜料水的温度,烧杯的水量
(2) 操纵变因:温度
(3) 应变变因:水上升的高度
3,实验步骤:
(1) 使用「虹吸式咖啡壶」隔水加热修正装置,锥形瓶加入200ml
的水,烧杯中加入600ml的水
(2) 以附有蓟头漏斗与温度计的双孔橡皮塞紧锥形瓶瓶口,蓟头
漏斗长管末端要尽量插到锥形瓶底部,温度计的底端必须置
放於水的中央.
(3) 将酒精灯点燃,置放三角架下,开始加热,观察并纪录水面
高度变化情形.
(4) 将烧杯中的水换成冷水750ml,将已加热过颜料水与未加热
的水混合,并放进烧杯中冷却,等到温度降到28℃,锥形
瓶内水的体积分别为50,100,150,200与250ml,重复实
验步骤(2)~(3).
11
4,研究结果:
(1)将隔水加热的烧杯中的水750ml改为600ml
表六 水的体积与水位高度(烧杯水600ml)
水温(℃)
水的
体积(ml)
初温
24
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
50 0.50 0.500.500.500.500.500.500.500.50 0.50 0.50 0.50
100 1.50 1.501.501.501.501.501.501.551.55 1.55 1.55 1.55
150 0.70 0.700.750.750.750.800.800.800.80 0.85 0.85 0.85
200 3.50 4.204.404.504.504.704.754.905.10 5.30 5.55 5.80
250 3.10 4.804.904.905.605.705.705.906.10 6.60 6.70 6.80
格内数据表示水位的高度(单位:cm)
表七 水的体积与水位高度变化(烧杯水600ml)
水温(℃)
水的
体积(ml)
初温
24
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
50 0.00 0.000.000.000.000.000.000.000.00 0.00 0.00 0.00
100 0.00 0.000.000.000.000.000.000.050.05 0.05 0.05 0.05
150 0.00 0.000.050.050.050.100.100.100.10 0.15 0.15 0.15
200 0.00 0.700.901.001.001.201.251.401.60 1.80 2.05 2.30
250 0.00 1.701.801.802.502.602.602.803.00 3.50 3.60 3.70
格内数据表示水上升的高度(单位:cm)
水的体积与水位高度变化图(600ml)
-20246810121416182022242628
243035404550556065707580水温(℃)
水位高度变化(cm)
50100150200250
图六 水的体积与水位高度变化图(烧杯水600ml)
12
(2)将已加热过的颜料水冷却至28℃后进行实验
表八 冷却水体积与水位高度数据(烧杯水750ml)
水温(℃)
水的
体积(ml)
初温
28
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
50 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30
100 1.70 1.70 1.70 1.70 1.70 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75
150 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.80
200 3.80 3.90 3.95 4.00 4.00 4.00 4.00 4.15 4.15 4.25 4.25 4.35
250 5.80 6.20 6.40 6.40 6.40 6.55 6.60 6.85 7.05 7.20 7.45 7.70
格内数据表示水位的高度(单位:cm)
表九 冷却水体积与水位高度变化数据(烧杯水750ml)
水温(℃)
水的
体积(ml)
初温
28
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
50 0.00 0.000.000.000.000.000.000.000.00 0.00 0.00 0.00
100 0.00 0.000.000.000.000.050.050.050.05 0.05 0.05 0.05
150 0.00 0.000.000.000.000.050.050.050.05 0.05 0.05 0.10
200 0.00 0.100.150.200.200.200.200.350.35 0.45 0.45 0.55
250 0.00 0.400.600.600.600.750.801.051.25 1.40 1.65 1.90
格内数据表示水上升的高度(单位:cm)
冷却水与水位高度变化图(28℃)
-20246810121416182022242628
243035404550556065707580水温(℃)
水位高度变化(cm)
50100150200250
图七 水的体积与水位高度变化图(28℃)
13
5,结果讨论:
(1) 比较烧杯水是750ml与600ml所呈现的数据,可以发现
750ml的变化较大,600ml的水几乎没有什麼变化,只有在
200ml与250ml时的变化比较明显.
(2) 比较冷水与已加热过的水所呈现的数据,可以发现冷水的变
化较大,已加热过的水几乎没有什麼变化,只有在200ml
与250ml 时的变化比较明显.而比较改变烧杯水的体积与
使用已加热过的水的影响,发现已加热过的水的水位变化远
小於600ml的烧杯水.
(3) 我们尝试以这两种方法进行改进实验,却发现水位的变化变
得很小,我们认为此项发现与实验四所提到的气体因素有
关.由於600ml的水无法完全覆盖锥形瓶,因此造成气体的
温度降低,或是让已加热的气体接触较冷的空气而冷却,因
此水位变化不如完全覆盖的750ml烧杯水.另外,根据我们
在理化课本第一册1-3水溶液所学到的「气体不容易溶解在
高温的水中」推测,已加热过的水让水中的气体释放出来,
再次进行实验时,水中含有的气体释放出来的量变少,因此
造成可以膨胀的气体变少,水位的变化高度便变小.此点推
论也可以解释在实验二所测量到在24~30℃水位突然升高的
现象,是因为水中的气体释放出来所造成的.
(六)实验六:蒸气压与水位高度实验
1,设计想法:
我们注意到在加热过程中,一直有水气产生,因此气体的量并非
固定,除了原先气体受热膨胀所产生的压力外,应该也有液体汽化产
生的蒸汽压.到底哪一个是影响低温时的水位高度变化的主要原因
呢 我们先利用加热让瓶中与水中的气体逸出锥形瓶,再塞紧瓶塞,
测量液体产生的蒸汽所造成的高度来测量蒸汽压.
2,变项控制:
(1) 控制变因:水的体积(200ml),烧杯水体积(750ml)
(2) 操纵变因:温度
(3) 应变变因:水位高度
14
3,实验步骤:
(1) 使用「虹吸式咖啡壶」隔水加热修正装置,锥形瓶加入200ml
的水,烧杯中加入750ml的水
(2) 以附有蓟头漏斗与温度计的双孔橡皮塞紧锥形瓶瓶口,蓟头
漏斗长管末端要尽量插到锥形瓶底部,温度计的底端必须置
放於水的中央.
(3) 将酒精灯点燃,置放三角架下,开始加热,在温度到达30
℃之后,将软木塞拔掉,等加热到35℃之后,再塞紧瓶塞,
观察并纪录水面高度变化情形.
(4) 依实验步骤(1)~(3)重复测量十次.
4,研究结果:
(1)蒸汽压的水位高度
表十 蒸汽压的水位高度表
水温(℃)
实验
次数(次)
初温
24 30 35 40 45 50 556065 70 75 80
1 3.45 10.304.404.40 4.10 4.35 4.40 4.70 5.25 10.20 19.20 28.50
2 4.30 11.903.804.10 4.50 4.40 4.55 4.90 5.70 10.80 17.70 28.10
3 4.05 12.304.104.05 4.60 4.00 4.20 4.50 5.35 12.35 20.10 29.20
4 3.30 12.804.253.30 3.60 3.80 5.20 5.60 6.20 12.00 19.30 28.90
5 3.70 12.404.604.10 3.70 4.20 4.25 5.45 5.90 11.30 18.80 27.40
6 4.10 11.304.104.00 4.05 4.20 4.30 4.50 5.40 12.35 18.70 28.10
7 4.00 12.354.803.80 4.25 4.20 4.05 4.60 5.10 10.30 19.10 28.50
8 3.80 12.003.704.00 4.60 5.20 5.50 5.90 6.30 11.90 17.80 29.20
9 4.55 12.304.054.25 4.30 4.50 4.60 5.20 5.80 12.80 20.25 26.90
10 4.20 12.703.303.90 4.20 4.60 4.90 5.40 6.05 12.40 18.10 28.70
平均值 3.95 12.044.114.00 4.19 4.35 4.60 5.08 5.71 11.64 18.91 28.35
高度变化0.00 8.09 0.170.050.25 0.40 0.65 1.13 1.76 7.70 14.96 24.41
15
蒸汽压的水位高度变化图
357911131517192123252729
243035404550556065707580
水温(℃)
高度(cm)
图八 蒸汽压的水位变化图
(2)比较各项影响水位高度的因素
我们以所有因素(实验二),液体膨胀(实验三)以及蒸汽压(实
验六)所测得的高度变化数据进行比较.
表十一 各项因素的水位高度变化比较表
水温
(℃)
因素
初温
24
30 35 40 45 50 556065 70 75 80
所有因素 0.00 8.21 11.7615.519.1823.2225.12--- - -
液体膨胀
(注1)
0.00 0.31 3.944.615.506.417.539.31 6.34 9.06 11.94 14.31
蒸汽压0.00 8.09 0.170.050.250.400.651.131.76 7.70 14.96 24.41
气体膨胀
(注2)

7.6510.8413.4316.4016.94

注1:因为液体膨胀应该与体积成正比,因此液体膨胀的数据乃是根据实验四所测得的
平均1ml每1℃上升的数据乘以200ml所得.
注2:因为一般情况下,水位高度变化受到液体膨胀,蒸汽压与气体膨胀的影响,因此
我们利用「一般情况水位-液体膨胀-蒸汽压=气体膨胀」来计算.
16
照片四 气体膨胀
影响水位高度因素的比例
(35~55℃)
蒸汽压
1%
液体膨胀
34%
气体膨胀
65%
液体膨胀蒸汽压气体膨胀
图九 影响水位高度因素的比例
5,结果讨论:
(1) 从蒸汽压的水位高度变化图,我们可以发现在30℃拔掉软
木塞后,水位便急速下降,之后虽然有点起伏,但大致维持
平稳的高度,一直到55~60℃才开始升高,此点与实验一所
观察到60℃有水滴凝结相符,表示此时蒸汽达到饱和,蒸
汽压越来越大.
(2) 从图九的比例中,我们可以发现在低温(35~55℃)时,气
体膨胀所占的比例非常的大(65％),而蒸汽压所占比例很
小(1％).但是,我们从表十一中可以看出随著温度的升高
(60~80℃),液体膨胀与蒸汽压的比例从9.13:1.13(60℃)
变成14.31:24.41(80℃),由此可知温度越高,蒸汽压的
作用所占比例越大.
(3) 实验修正:我们发现在几组数据中都显示35~40℃有下降的
变化,或许是因为瓶中仍残留部分气体,因为压力提高,增
加溶解度,所以部分气体又溶解进入液体中,因此35~40℃
的水位才会下降.由此点可知因为液体的关系造成误差,我
们进一步思考是否能直接测量气体膨胀的力量呢
(七)实验七:压力,体积与温度关系的初步实验
1,设计想法:
在探讨过程中,我们发现水位上升跟气体
膨胀的关系十分密切,本实验装置不仅可以探
讨虹吸式咖啡壶原理,并可以参考理化课本『实
验5-1水的膨胀和收缩』,我们想到是否可以利
17
照片五 手握锥形瓶
用此实验装置直接测量气体膨胀的力量,甚至进一步探讨压力,体积
与温度的关系,因此我们想到可以进行三种实验:
(1) 体积与温度的关系:
控制压力变因(气体压力=大气压力+水滴的重量),加
热锥形瓶中的空气,以水滴作为标记,来测量不同温度的水
滴高度变化,即可以换算成不同温度的气体体积,可以测量
体积与温度的关系.
(2) 压力与温度的关系:
先纪录初温的水位底端位置,温度上升后,可以加入水
滴使水位的底点维持原高度(使气体体积维持一定),测量水
柱的高度(气体压力=大气压力+水柱的重量),即可测量压
力与温度的关系.
(3) 压力与体积的关系:
在上理化课时,老师曾利用气球来展示压力会造成体积
变小,但是压力与体积之间的关系是否成反比关系 我们想
到在常温下,加入水滴使气体体积压缩,即可测量压力与体
积的关系.
2,研究发现:
我们以此实验装置进行初步探讨压力,体积与温度的实验,得到
一些发现与需要克服的问题:
(1) 体积与温度的关系:以蓟头漏斗
进行实验,发现水滴会被气体冲
破,在原位置跳动,可能是因为
管径太大,我们改用细玻璃管,
发现随著温度升高,水滴便上
升.另外,塞入软木塞时,会造
成水滴因为气体的挤压而突然升
高,必须小心的塞紧.
(2) 压力与温度的关系:我们以手握紧锥形瓶,便可以发现水滴
有上升现象,进行隔水加热,发现水滴快速喷出细玻璃管.
加入水滴使细玻璃管中的水柱越大,发现温度越高所能支撑
的水柱越长.
(3) 压力与体积的关系:我们以滴管在细玻璃管中慢慢加入水
滴,发现水柱越长,水柱的高度越低.
18
3,结果讨论:
(1) 体积与温度的关系:以手握紧或以隔水加热法对锥形瓶加
温,发现水滴有上升现象,这表示气体体积增加,由此可知
随著温度升高,气体体积也越大,两者呈现正比关系.而且
气体对於温度十分敏感,建议以较长的管子或是使用密度较
大的液体来进行实验.
(2) 压力与温度的关系:由加入的水柱随著温度升高而增长,这
表示气体的压力越来越大,由此可知压力与温度呈现正比的
关系.但是,在滴入水滴的时候,必须慢慢沿著管壁加入水
滴,避免原先的水滴与新滴进去的水滴之间有气体.
(3) 压力与体积的关系:由水柱越长,水柱的高度随著下降,代
表锥形瓶内的气体体积受到挤压,由此可知水柱越长(压力
越大),气体的体积越小,压力与体积呈现反比关系.
五,研究结果讨论
1,在本研究中,我们主要是利用实验与讨论的方式,探讨影响锥形瓶水位上升
的因素,来验证虹吸式咖啡壶的原理,探讨的过程与结果如下图十所示.
实验一:观察实验研究发现:水位的上升与温度的高低有关
实验二:水的温度与水位
上升高度关系实验
修正:实验装置(隔水加热,颜料,铁架)
研究发现:
1. 30℃~50℃之间,水温与水位高度变化呈现
正比的关系.
2. 23~30℃的变化比30℃~50℃大将近两倍之
多,而不是呈现正比的关系.
实验三:水的体积与水位
上升高度关系实验(Ⅰ)
研究发现:
1. 50~150ml的水位变化很小,而200与250ml
的水位变化十分明显.
2. 推测或许是因为热胀冷缩的原因,体积越大
的水,膨胀的程度越大,造成水位高度越高
修正:在改变水的体积时,还改变了气体的体积,因此
直接观察装满水的水位高度变化.
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图十 实验流程与结果图
实验四:水的体积与水位
高度变化关系实验(Ⅱ)
研究发现:
1. 温度越高,水位的高度越高,图形近似正
比,与水的热涨冷缩现象符合.
2. 200与250ml的水(约50~55℃)比330m(约
70℃)快达到顶点,此点与热涨冷缩原理
相违背.
实验五:缩短实验时间的
改良实验
修正:虽然水体积的热涨冷缩对水位的高度有影响,但
是气体的体积也有关系.
研究发现:
1. 比较烧杯水是750ml与600ml所呈现的数
据,可以发现600ml几乎没有什麼变化.
2. 发现已加热过的水的水位变化远小於600ml
的烧杯水.
实验六:蒸气压与水位高
度实验
修正:利用加热让瓶中与水中的气体逸出锥形瓶,再测
量液体产生的蒸汽所造成的高度来测量蒸汽压.
研究发现:
1. 从蒸汽压的水位高度变化图,发现30℃
的水位急速下降,之后维持平稳的高度,
55~60℃开始升高,蒸汽压越来越大.
2. 在35~55℃时,气体膨胀占65％,而蒸汽
压占1％.但是,随著温度的升高(60~80
℃),蒸汽压的作用所占比例越大
修正:液体会造成测量气体膨胀的误差,是否能直接测
量气体膨胀的力量呢
实验七:压力,体积与温
度关系的初步实验
研究发现:
1. 体积与温度呈现正比的关系.
2. 压力与温度呈现正比的关系.
3. 压力与体积呈现反比的关系.
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2,从研究结果中,我们可以归纳影响水位上升的因素有以下几点:
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