Topic 7 Hot Water Fountain 热喷泉
课题介绍
课题介绍:7
Partially fill a Mohr pipette with hot water. Cover the top of the pipette with your thumb. Turn the tip upwards and observe the fountain exiting the tip. Investigate the parameters describing the height of the fountain, and optimize them to get the maximum height.
将热水(80~90摄氏度为宜)倒进摩尔吸量管(我们姑且认为是移液管)。用大拇指将移液管上口按住。然后迅速颠倒,就可在尖端观察到喷泉涌出现象。研究影响喷泉所达到的高度的参量,并调整它们达到最大高度的效果
实验器材和准备
一把电热水壶
两只塑料烧杯
两套不同规格的移液管(0.1至50ml)
一只酒精温度计
两副塑胶手套
游标卡尺与直尺
铁架台
手机(摄像设备)与轨迹追踪软件
洗耳球
凡士林
注射器
影响因素
管内空气与热水的温度差
空气受热膨胀的压强大小
移液管的规格
管内水与空气的比例(空气的体积)
管的主体到尖端过渡段的长度
管内液体的密度
将管倒立的速度
空气的摩擦阻力
管转过的角度
课程进展
3.18第一次实验
实验器材更新
实验内容
实验步骤:步骤其实很简单,就是将水烧开后,用洗耳球将水吸入移液管,然后按住上口,迅速倒装过来。就可以发现气体迅速受热上升,将水喷出。 原本想做控制温度和控制注水体积的探究实验,但在实际实验中由于误差太大而放弃了记录数据。
实验中反映的一些问题与解决方案:
测量水温:原本的方案是将水烧开后,放在保温杯内使用。考虑到散热的问题,最后是直接在热水壶中测量水温,用支架将温度计吊起来放入热水壶中,并用夹子固定。但效果仍然不大好,在敞开的热水壶里水仍然降温很快,烧水的间隔很短。同时取水的时候水蒸气会冒出来,手不能直接面对水蒸气,皮肤容易受不了
改进方案:考虑到很难做出一个保温杯来,才用的方案是利用热水壶的尖嘴,从上面取水和测量水温。由于盖子被盖上了,所以水温的下降比先前做法慢多了。同时经过一次烧水实验,发现温度仍然可以达到95摄氏度左右,初步解决了控制温度的办法。
每次注入水的体积:这个很难做到,之前的实验一方面是水蒸气会让人手不舒服,另一方面实验时间拖长了会使得实验效果变差,一系列测量数据有误差。水的体积很难控制一样。读数只能在拿出来后迅速读一下。另外由于实验要求速度快,很容易在移液管拿出的时候漏气,读数的时候有气泡也会影响体积的测量。
改进方案:戴植锐提出用注射器将水注入,用水胶带和凡士林将连接处密封好,隔绝空气。这样带来的好处是手不用直接面对水蒸汽,也不会有漏气的情况发生,同时可以准确控制每次注入水的体积。
实验现象分析
长度(cm) | 33.00 | 33.05 | 33.97 | 33.90 |
4.5ml体积的长度 | 15.30 | 14.90 | 14.90 | 14.90 |
同一根移液管不同处的外径 | 7.86 | 7.94 | 7.90 | 7.86 |
3.25、26第二次实验
实验器材更新
实验内容
这一次对之前的实验进行了改进,并对新材料进行测量与实验。同时又发现了一些新问题与新思路。并对实验原理有一次解释。
先是对两套仪器的规格进行了测量。发现同一规格的移液管基本接近,但也有细微差别。同时0.1、0.2、0.5、1.0的内径太细了,很难测量以及吸取液体。对于内径的测量,主要的想法是由管上标的刻度,并测量其长度,近似成测量一段圆柱的半径。
我们发现10ml的移液管的上口正好可以塞进注射器的注射口,抹上凡士林并绑上胶带以后,能够精确测量体积,并且杜绝了漏气的现象(或者说微乎其微)
初步进行的实验就面临了一个很大的问题,我们发现10ml喷出的高度远没有我们意想中那么高,甚至远不如我们先前所做的高度。于是反省到底哪里出了问题。刚开始注意到每次实验都会残留水,于是怀疑残留的水量不同。发现不用注射器的效果明显更好。
在进行注射器的影响的思考时,对实验原理也有了进一步的体会。原来以为水对空气的加热是直接通过热传导进行的。后来发现在向上倒转的过程中,水会留下来。在留下来的过程中快速加热空气柱,使得空气向外挤压水,形成喷泉
在对之前用的5ml移液管以及对后来购买的两套中5ml的移液管进行比较。发现后来购买的移液管几乎无法喷出水柱,而实验室先前的则能喷出2、30厘米高。比较二者的不同,发现尖端的横截面积不同。实验室的较粗,猜想是因为横截面积较大,相对而言水流受到的摩擦力较小,更容易喷出。
4.1第三次实验
实验内容
先跟乐老师与白老师进行了交谈,对整个实验又产生了新的看法。乐老师指示要多考虑实验原理的方面。
更改了视频录制的角度,从窗的旁边拍摄喷泉,而不是正对着窗去拍摄喷泉。这样可以利用窗透进来的光来照亮水柱,同时视频的背景不再是亮堂的窗,而是室内暗不少的墙面,使水柱在视频中变得十分明显,易于后期处理。
酒精温度计的反应速度太慢,而水在90至100℃时又降温特别快,打算在下次实验采用热敏测温仪。
移液管使用后要进行降温处理,但单靠吸进冷水来降温的效率很低,打算在下次实验用一脸盆水来降温,用酒精温度计来监测脸盆中水的温度。
之前认为移液管内水与空气的热交换有两种模型,通过之前的实验确认了实验的原理,原来打算使用热敏贴纸,设计实验来验证实验原理,最后用手机拍摄慢速视频的方法解决了这个问题。之前的实验是拍摄移液管倒转的情况,可以发现水是贴着一侧流下来的。可能性是水流下来,顺势加热了空气。受热空气向上流动,同时挤压水流使得其贴着流下。
此外我们可以发现,在移液管倒转的过程中,还没有正好转动180度时,水柱就已经开始喷出。另外的现象是,原本猜想水流喷出会形成一段连续的液体,然后会达到最高点。但实际上并不是这样,达到最高点的往往只是一滴水。在分析视频的时候,可以清楚的发现水向下流动,空气向上充斥移液管的最后。会明显听到啪的一声,几滴水迅速向上喷出。而这样也可以看出,在连续水柱喷出的过程中,后一段水柱相对前一段的加速得更多。
这一次主要在做控制温度下,不同体积的水对高度的影响。在测量的过程中,有时候同样的水柱,喷出的高度目测就会相差30cm。猜想可能是因为移液管未冷却完全,以及测量的水温不够准确的问题。因为温度计测量的是一壶水的深部温度,而吸取的水一般则是上部的水,由于液面与空气接触,上层的水温可能比温度计显示的示数要低。
还仍然留下一些问题。考虑的一个问题是移液管管壁的导热效果对实验具体的影响。以及尖端到底是怎样影响水流喷出的。一个简单的想法是使用学校餐厅的吸管,能否在倒置的时候将水喷出,已经能喷出多高。
4.8第四次实验
计划
实验内容
此外在分析这个问题产生的原因:可能是由于管壁持续加热的缘故,在冷却的时候没有冷却完全。在礼拜天乐老师的提示下准备下周用手机记录每次管内的变化。
相关文献
讨论区
这个课题要注意安全啊!可否不用手去封管子? —
乐永康 2016/03/22 22:48
带了手套以后容易使得移液管倒转过来的时候漏气,戴植锐想到用注射器将水注射进去,可以解决手不直接接触和避免漏气以及准确控制进水的体积。另外没有可靠的保温装置,我们将热水是直接在热水壶里装的,水蒸气还是很烫的,所以实验的时候动作很迅速。— 程柘 2016/03/23 01:18
3月11日至今已有10多天了,有进展吗? —
乐永康 2016/03/22 22:50
上周五做了第一次实验,由于我比较拖延,所以没有及时更新。 —
程柘 2016/03/23 01:27
催一下响应就很快。看来得经常催!
![:-D](/lib/images/smileys/icon_biggrin.gif)
—
乐永康 2016/03/23 19:45