水在不同温度下体积变化的研究研究者：金兰苑小学 三年1班 张雅茵、卢沁瑶 指导老师：黎彦君本学期（三年级第二学期）科学课本第6单元冷与热中有一句话（P66页）：“水有热胀冷缩的性质，空气有热胀冷缩的性质，铜球有热胀冷缩的性质许多物体都有热胀冷缩的性质。”我想：1、为什么说“许多物体都有热胀冷缩的性质”而不说“所有物体都有热胀冷缩的性质”呢？是不是有些物体不会热胀冷缩呢？2、物体的热胀冷缩有些什么规律呢？黎老师说：你的想法很好！我们学习科学，就是要有你们这种多问几个“为什么？”的精神。我从资料上见过，确实有些物体不会热胀冷缩的，比如水在0-4摄氏度时，不但不会“热胀冷缩”，反倒过来“热缩冷胀”。但我没有验证过，我和你们一起通过实验来验证一下好吗？同时还可以研究下一下水在不同温度时的体积变化。我们决定先研究水在不同温度下“热胀冷缩”的情况，然后再研究水在0-4摄氏度时， “热缩冷胀”的情况（因为要做这个实验要有个比较大的冰箱）。黎老师与我们一起制作和改进了三年级下册课本第63页“水的体积变化观察”中的实验装置，在原装置的橡皮塞中多插了一条温度计（如下图）。实验一：研究水在10摄氏度到60摄氏度之间温度上升或下降时，每上升（或下降）10摄氏度，水胀（或缩）的幅度是不是都一样的。（因为在0-10摄氏度这个范围中，0-4摄氏度可能会出现反常现常，所以不选这一温度范围，而超过60摄氏度的水容易烫伤人，所以也不选用）因为现在是夏天，自然水温在二十几到三十摄氏度之间，所以我们用冰箱冷藏的方法把水温降到10摄氏度，用热水泡浸的方法把水温升到60摄氏度。第一次实验：常温下水的温度是28摄氏度，所以我们把装置泡在电磁炉上的水锅中加热到30摄氏度，然后在玻璃管上划下水位高度。继续加温，当温度上升到40、50、60摄氏度时，分别在玻璃管上划下水位高度。然后，等水温下降，准备记录20、10摄氏度时的高度，但温度降得很慢，于是我们把装置泡在凉水中，让它快速降温，然后放入冰箱中，使温度继续下降，分别记录下20、10摄氏度时的水位高度。然后，把玻璃管上的刻度复制在白纸上，用尺子量出每个温度范围水位升降的幅度。根据测量的数据，做出下面的记录表：温度变化范围（摄氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第一次实验液柱上升距离（MM）2837313871从实验结果可以看出，水在10-60摄氏度时，是会热胀冷缩的，而且在多数情况下面，温度越高热胀冷缩的幅度越大。比如在10-20摄氏度时幅度是28MM，而50-60摄氏度时幅度是71MM。但是奇怪的是30-40摄氏度时幅度反而比20-30摄氏度时的幅度小6MM，是不是我们的实验过程有问题呢？我们决定做第二实验。附：第一次实验图片实验装置图第一次实验数据第二次实验：我们分析，可能是第一次实验时，我们太焦急了，加热和冷却速度太快，而烧瓶中水的对流比较慢，所以瓶中各处的水温不同，而温度计只是测量了瓶中一个位置的温度，所以当温度计显示30度时，可能其他位置的水温是28度或32度，所以做成实验结果不准确。于是我们先把装置放在冰箱中，让它先降到10摄氏度，然后取出来先记录下10摄氏度时的水位高度；然后让它自然升温，再记录下20摄氏度时的水位高度；再等自然升温到28摄氏度时，把装置泡在35摄氏度的温水中，让它慢慢升温到30摄氏度，然后慢慢地把泡浸的水温升高，使烧瓶内的水温缓慢地分别上长至40、50、60摄氏度，分别在玻璃管上记录下水位高度。（缓慢升温的目的是让瓶中各处水温相同）第二次的实验结果如下表：温度变化范围（摄氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第二次实验液柱上升距离（MM）2334424864这次实验的结果显示：温度越高水热胀冷缩的幅度越大。但对比第一次实验的结果，两次数据出入比较大，如30-40摄氏度时，第一次31MM，第二次是42MM，相差了11MM，又如50-60摄氏度时，第一次是38MM，第二次是48MM，差了10MM。哪个数据更可信呢？我们决定再做一次实验。附第二次实验图片10摄氏度时的液柱高度20摄氏度时的液柱高度30摄氏度时的液柱高度40摄氏度时的液柱高度50摄氏度时的液柱高度60摄氏度时的液柱高度温度从10度上升到20度时，液柱上升了23MM温度从20度上升到30度时，液柱上升了34MM温度从30度上升到40度时，液柱上升了42MM温度从40度上升到50度时，液柱上升了48MM温度从50度上升到60度时，液柱上升了64MM温度变化与液柱上升高度对照全图第三次实验：第一次实验是先升温测量30、40、50摄氏度的数据，然后降温测量20、10摄氏度的数据。第二次实验是先把温度降至10摄氏度后，再让它缓慢升温，依次测量20、30、40、50、60度的数据。第三次调过来，先用热水泡烧瓶，使瓶中的水温升到65摄氏度，然后让装置就泡在热水里自然降温（这样使瓶中的水温更均匀），到常温后再放入冰箱中降温，分别记录下60、50、40、30、20、10摄氏度时的水位高度。为了便于观察，本次实验前，我们先在水里加了点红墨水。这一次实验的结果如下表：温度变化范围（摄氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第三次实验液柱上升距离（MM）2343394465第三次实验的结果与第二次实验的结果比较接近，结果显示：大部分情况下水的温度越高热胀冷缩的幅度越大。附第三次实验图片60摄氏度时的液柱高度50摄氏度时的液柱高度40摄氏度时的液柱高度30摄氏度时的液柱高度20摄氏度时的液柱高度10摄氏度时的液柱高度温度从10度上升到20度时，液柱上升了23MM温度从20度上升到30度时，液柱上升了34MM温度从30度上升到40度时，液柱上升了42MM温度从40度上升到50度时，液柱上升了48MM温度从50度上升到60度时，液柱上升了64MM温度变化与液柱上升高度对照全图三次实验数据如下表：温度变化范围（摄氏度）10-2020-3030-4040-5050-60第一次实验（混合法）液柱上升距离（MM）2837313871第二次实验（升温法）液柱上升距离（MM）2334424864第三次实验（降温法）液柱上升距离（MM）2343394465根据上表的数据综合分析，水在10-60摄氏度的范围内，在大部分情况下，水的温度越高热胀冷缩的幅度越大，温度越低热胀冷缩的幅度越小。但有例外，就是20-30摄氏度这个范围内，如果从20度上升到30度，热胀的幅度较小，而30度降到20度时冷缩的幅度较大。实验二：观察水在0-4摄氏度的体积变化情况因做这个实验需要空间足够大，而且温度最好在零下10摄氏度左右的冰箱中才能进行，而家里的冰箱不能满足这些要求，怎么办呢？后来我们得到食堂叔叔阿姨的支持，借用他们的冰箱才完成了这个实验。第一次实验：我们把上一个实验的装置放入冰箱中，等了三个多小时，很不容易才等到温度降到0摄氏度。当我们把装置拿出来观察时，见到在0-4摄氏度时，玻璃管里的水柱虽然有变动，但变动的范围很小，只有一毫米左右，实验结果很不明显。黎老师说，由于在0-4摄氏度的变化过程中，水的体积变化微小，这次实验用的玻璃管太粗了，所以水柱的高度变化不明显。于是，我们在实验室中找来最细的玻璃管，重制作了一个装置。重新做这个实验时，又遇到了另一个新问题。本来在正常情况下，水的温度不可能低于0摄氏度，低于0摄氏度时就结冰了，而我们把装置冷却四小时后观察，发现瓶中的水未结冰，而温度计却显示-2摄氏度。这就说明了温度计不准确。我们跑到实验室，把全部温度计取出来，一对比，各支温度计读数都不同，最高与最低的竟相差4、5摄氏度。怎么办？黎老师建设我们取10支温度计放在水杯中，加水后放在冰箱中降温到冰水混合状态，看哪一支温度计是刚好0摄氏度的，就选用这一支。我们把装置冷却到0摄氏度时，把装置从冰箱中取出，温度每上升1摄氏度，就在玻璃管上记录下液柱的面的位置。第一次实验结果显示,当温度从0上升到1摄氏度时,液柱向下降,到1摄氏度时降到最低,然后随温度上升而上升,到5摄氏度时,液柱高度回复到0摄氏度时的高度，之后继续随温度上升而上升。也就是说，1-4摄氏度比0摄氏度高，但体积却比0摄氏度时小，所以说水在0-4摄氏度时“热缩冷胀”。从严格上来说，水在0-1摄氏度时才是真正的“热缩冷胀”。而超过1摄氏度到4摄氏度这个温度范围，水还是会“热胀冷缩”的，只不过是从整体上来看，这个温度范围的体积比0摄氏度时小。附第一次实验图片：0摄氏度时液柱高度0.1摄氏度时液柱高度1摄氏度时液柱高度3摄氏度时液柱高度4摄氏度时液柱高度5摄氏度时液柱高度8摄氏度时液柱高度实验装置第二次实验：因做这个实验要把装置放在冰箱中冷却到0摄氏度，而常温是30摄氏度，因温差大，把装置取出后，温度会很快升高，动作稍慢便来不及记录、拍摄。而且吸取之前研究过程中温度快速变化会影响实验结果的教训，这一次实验，我们在卧式冰箱中放张小凳，把装置放在凳面上，这时整个烧瓶都在冰箱中，而温度计和玻璃管露在上面，刚好可以观察和拍摄。0摄氏度时液柱高度1摄氏度时液柱高度（1）1摄氏度时液柱高度（2）2摄氏度时液柱高度3.5摄氏度时液柱高度4摄氏度时液柱高度5摄氏度时液柱高度6摄氏度时液柱高度实验二：观察水在0-4摄氏度的体积变化情况因做这个实验需要空间足够大，而且温度最好在零下10摄氏度左右的冰箱中才能进行，而家里的冰箱不能满足这些要求，怎么办呢？后来我们得到食堂叔叔阿姨的支持，借用他们的冰箱才完成了这个实验。第一次实验：我们把上一个实验的装置放入冰箱中，等了三个多小时，很不容易才等到温度降到0摄氏度。当我们把装置拿出来观察时，见到在0-4摄氏度时，玻璃管里的水柱虽然有变动，但变动的范围很小，只有一毫米左右，实验结果很不明显。黎老师说，由于在0-4摄氏度的变化过程中，水的体积变化微小，这次实验用的玻璃管太粗了，所以水柱的高度变化不明显。于是，我们在实验室中找来最细的玻璃管，重制作了一个装置。重新做这个实验时，又遇到了另一个新问题。本来在正常情况下，水的温度不可能低于0摄氏度，低于0摄氏度时就结冰了，而我们把装置冷却四小时后观察，发现瓶中的水未结冰，而温度计却显示-2摄氏度。这就说明了温度计不准确。我们跑到实验室，把全部温度计取出来，一对比，各支温度计读数都不同，最高与最低的竟相差4、5摄氏度。怎么办？黎老师建设我们取10支温度计放在水杯中，加水后放在冰箱中降温到冰水混合状态，看哪一支温度计是刚好0摄氏度的，就选用这一支。我们把装置冷却到0摄氏度时，把装置从冰箱中取出，温度每上升1摄氏度，就在玻璃管上记录下液柱面的位置。第一次实验结果显示,当温度从0上升到1摄氏度时,液柱向下降,到1摄氏度时降到最低,然后随温度上升而上升,到5摄氏度时,液柱高度回复到0摄氏度时的高度，之后继续随温度上升而上升。也就是说，1-4摄氏度比0摄氏度的温度高，但体积却比0摄氏度时小，所以说水在0-4摄氏度时“热缩冷胀”。从严格上来说，水