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初.75.含盐量不同的人造海水之膨胀特性测量
重庆育才中学 初2014级 陈伯翰
一、问题的提出
通过地理课上的了解，我们知道：海洋是我们生命的摇篮，我们地球表面的70%都是海洋。同时海水中含有大量的盐，最淡的波罗的海，含盐量也有20‰，一般海水在35‰左右。内陆湖的含盐量高得惊人，比如死海达到230~250‰，几乎饱和！
通过物态变化的学习，我们知道液体具有热胀冷缩的特性。但水在4℃左右时体积最小，若温度上升或下降都会导致水的膨胀。我突然想到物理老师上课堂上说过：水在低于4℃时，会发生反常膨胀，作为溶液的海水的膨胀又是什么样的？不同的含盐量有什么不一样？在爸爸和老师的帮助和指导下我们开始了研究。
二、假设与猜想
重庆离大海太远，不容易找到真正的海水。若在自来水中加入适量的食盐制成人造海水，应该可以模拟海水。
在含盐量较低时，海水的膨胀特性与自来水应差别不大。但含盐量增大后，可能会有明显差别。海水应该与自来水一样，变冷以后体积没有什么明显变化，要测出这微小的变化，就必须用放大法：用能装约3000mL水的玻璃瓶来盛低温盐水，用每小格代表0.05mL的移液管来测量盐水的体积变化，这样，即使只有十万分之二的体积变化也能让移液管液面升降1小格多。我们选择玻璃瓶是因为它的容积随温度变化很小因而可以忽略，可以认为移液管液面的变化全部是水的体积变化引起的。
我们先在大玻璃瓶里放一定量的食盐，再加满水，不盖盖子，然后将其放入冰箱的冷冻室，将盐水冷却到3℃以下。然后，把玻璃瓶从冰箱中取出，放在空气中，让盐水的温度慢慢自然升高，读出在不同温度下移液管的读数，将数据记录在表格中，就可以作出盐水的膨胀特性曲线。这就可以保证水中含盐量不变，且温度的变化范围和仪器相同。
三、研究计划
我们按照如下的研究计划进行了实验。
1、实验仪器：玻璃瓶（刻度2500mL）、温度计（刻度0~100℃）、移液管（刻度0~5 mL）在橡皮塞上打两个小洞，分别插上温度计和移液管。
2、对照试验。我们将玻璃瓶装满自来水，测出它能装3250mL的水。将加满水后将玻璃瓶放入冰箱冷冻室，待水中有冰块后再取出，在自然环境中升温，测出不同温度下水的体积变化。
3、准备测量。将水倒出一些，加入85克食盐（含盐量26‰，接近一般海水的含盐量），搅拌使之全部溶解，再将加满水后将玻璃瓶放入冰箱冷冻室。
4、测量正式开始。玻璃瓶从冷冻室里的玻璃瓶拿出来后，还飘着少量的冰块。爸爸测量水温后高兴地说：“现在水只有3℃，可以实验了。”我算了一下，玻璃瓶已经在冷冻室里呆了四个小时多了，很快，瓶身上就有了一层露水。我们盖上橡皮塞，冰块很快融化了，温度计稳定在3.8℃左右，我们开始了测量，至水自然升温到19℃时测量结束。
然后我们加入163克食盐（含盐量50‰，较咸海水的含盐量），重复上面的步骤，测量出含盐量50‰时盐水的膨胀情况。这次开始时温度只有2℃，但没有看到冰。
最后我们加入245克食盐（含盐量75‰，很咸海水的含盐量），重复上面的步骤，测量出含盐量75‰时盐水的膨胀情况。这次开始时温度只有1℃，同样没有看到冰。
四、实验记录
气温：20℃。
表1 自来水的低温膨胀曲线的测量数据
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温度（℃） |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
体积增长量（mL） |
0 |
-0.10 |
-0.20 |
-0.10 |
-0.05 |
0 |
0.10 |
0.20 |
0.25 |
0.50 |
|
温度（℃） |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
体积增长量（mL） |
0.95 |
1.25 |
1.65 |
1.95 |
2.35 |
2.75 |
3.20 |
3.60 |
表2 盐水的低温膨胀曲线的测量数据(含盐量26‰)
|
温度（℃） |
3.8 |
4 |
4.5 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
体积增长量（mL） |
0 |
-0.10 |
0.40 |
0.55 |
0.70 |
0.95 |
1.20 |
1.40 |
1.60 |
1.85 |
|
温度（℃） |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
体积增长量（mL） |
2.15 |
2.45 |
2.85 |
3.30 |
3.72 |
4.41 |
5.35 |
7.21 |
表3 盐水的低温膨胀曲线的测量数据(含盐量50‰)
|
温度（℃） |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
体积增长量（mL） |
0 |
0.33 |
0.85 |
1.15 |
1.55 |
1.90 |
2.35 |
2.70 |
3.20 |
|
温度（℃） |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
体积增长量（mL） |
3.70 |
4.15 |
4.55 |
5.25 |
5.75 |
6.45 |
7.30 |
9.05 |
表4 盐水的低温膨胀曲线的测量数据(含盐量75‰)
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温度（℃） |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
体积增长量（mL） |
0 |
0.80 |
1.60 |
1.95 |
2.40 |
2.90 |
3.40 |
3.90 |
4.65 |
5.35 |
|
温度（℃） |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
体积增长量（mL） |
6.05 |
6.60 |
7.05 |
7.85 |
8.55 |
9.35 |
10.05 |
11.70 |
五、实验结论
1、自来水的低温膨胀
从图2可见，自来水的膨胀情况是：在2~4℃以下反常膨胀，膨胀率(定义是温度升高1K时体积相对变化量)为-0.3%%/K；5~10℃时缓慢膨胀，膨胀率为0.23%%/K ;10~15℃较快膨胀，，膨胀率为1.13%%/K。
2、人造海水的低温膨胀曲线
用水的体积增长量除以3250毫升，得到水的膨胀比例（体积相对变化），把不同温度下盐水的膨胀比例做成曲线图，就是人造海水的低温膨胀曲线，见图3。
我们的实验分别测出了一般海水、较咸海水、很咸海水共三条膨胀曲线。
分析实验曲线，可以得出如下结论：
第一、含盐越多的海水，膨胀越厉害。以10~15℃为例，自来水的膨胀系数测出为1.1%%/K，含盐量26‰的盐水的膨胀系数测出为1.1%%/K，与自来水相同；含盐量50‰的盐水的膨胀系数测出为1.5%%/K；含盐量75‰的盐水的膨胀系数测出为2.0%%/K，几乎是自来水的2倍。
第二、较咸海水的反常膨胀不明显甚至测不到。含盐量不超过26‰的盐水仍然可以观测到反常膨胀，而含盐量超过50‰的盐水就没有观测到反常膨胀。
第三、含盐量超过50‰的盐水在18℃以下的膨胀曲线很接近直线，这与对照试验结论的“自来水在4℃以下反常膨胀、5~10℃缓慢膨胀、10~15℃较快膨胀”有很大不一样。我们推测这可能与“含盐量越高、海水的冰点越低”的规律有关，但我们的温度计测不到0℃以下，这有待以后研究。
为什么海洋是生命的摇篮？因为海水含盐量高、海水的冰点低，即使气温在0℃以下，海水也不结冰，海洋生物就可以在很低的温度下生活。
实验中还有一个现象也引起了我的注意：人造海水在自然光下呈淡蓝色，而自来水是无色的。爸爸告诉我，这是由一个叫“拉曼散射”的效应引起的，是一位叫拉曼的印度科学家在上世纪二十年代发现的，他因此获得1930年的诺贝尔物理奖。
评语：本文是一篇难得的好论文，研究问题明确，研究过程清晰，实验数据真实可靠，结论可靠，值得学习和效仿。