用溫度傳感器改進冰的熔化和凝固實驗

孫海禎

摘 要：用冰鹽水制冰探究冰的凝固和熔化過程，采用溫度傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)采集器來精確實時呈現(xiàn)冰凝固和熔化過程中溫度隨時間的變化關(guān)系。

關(guān)鍵詞：晶體的熔化和凝固 自制冰鹽水 溫度傳感器

中圖分類號：G633 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）04（c）-0030-01

1 問題背景

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗是學(xué)習(xí)和研究物理學(xué)的重要手段。實驗的探究過程是學(xué)習(xí)認(rèn)識新規(guī)律的過程、是增強分析問題解決問題能力的過程。學(xué)生親自動手探究并體驗物理學(xué)家們?nèi)绾瓮ㄟ^探究獲得物理概念和理論，經(jīng)過長時間的訓(xùn)練和對過程的思考，能夠培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，熟練地分析和解決問題，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。物理實驗對物理教學(xué)至關(guān)重要。

晶體的熔化和凝固實驗是教科版八年級上第五章第二節(jié)的重要實驗，有著舉足輕重的地位。但是由于眾多因素的影響，此實驗一直是中學(xué)物理疑難實驗之一，也是中學(xué)物理最難做成功的實驗之一。

2 原實驗存在的一些問題

（1）如果把水放在冰箱冷凍室中可以得到實驗所需要的冰，但冰質(zhì)地堅硬，溫度計的玻璃泡不易插入。如果用礦泉水瓶裝水放入冰箱冷凍，然后敲成碎冰，這個過程中冰的溫度急劇上升，一般都已經(jīng)接近0℃，甚至已經(jīng)開始熔化，匆忙開始實驗也難采集到0度以下數(shù)據(jù)。

（2）水銀溫度計靈敏度有限，實時性差，不能滿足這個實驗的要求。

（3）原實驗只有熔化過程，無凝固過程的對比實驗，無法讓學(xué)生在操作過程中得到水熔點和凝固點相等的結(jié)論。對學(xué)生系統(tǒng)掌握知識不利。

（4）器材多，組裝復(fù)雜，觀測項目多，耗時長，常常是課前匆忙，課后拖堂，還常常失敗。

3 改進實驗的器材

（1）自制冰鹽水：取冰凍結(jié)實的冰塊，在冰塊上撒大量鹽，撒鹽后熔點降低，冰塊開始熔化吸熱?？梢缘玫搅阆露喽鹊谋}水。

（2）改裝塑料試管：管徑1.5 cm左右的普通塑料管或是小號注射器都可以的（有刻度的最為理想）。最好在里面均勻纏上銅絲，使試管內(nèi)的冰可以均勻受熱。給塑料細(xì)管配上塞，塞上打一個孔，用來固定溫度傳感器的探頭。

（3）自制隔熱杯：選身邊透明塑料杯，也可以是礦泉水瓶，用隔熱材料如鋁箔或PVC泡沫制成一個隔熱裝置，這樣可以保持冰鹽水?dāng)?shù)小時低溫。注意為了可以觀察到水的凝固過程，隔熱杯要留有觀察窗。為了既能夠把裝水的塑料管放到冰鹽水中冷凍又能夠清楚觀察凝固過程，需要在隔熱杯蓋上靠近觀察窗口開一個塑料管大小的洞。

（4）連接好溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器，設(shè)計好溫度隨時間變化的模板。

4 改進后實驗過程（見圖1）

4.1 準(zhǔn)備階段

（1）將自制的零下20°左右的冰鹽水裝入隔熱杯中。

（2）在塑料試管中裝入5 cm左右深度的水。

（3）連接好溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器，打開設(shè)計好的溫度隨時間變化的模板，把靈敏準(zhǔn)確的溫度傳感器插入裝有水的塑料試管中采集管內(nèi)水的溫度。使溫度能夠在數(shù)據(jù)采集器上以圖表和數(shù)據(jù)的形式清晰準(zhǔn)確的展現(xiàn)出來。

4.2 操作過程

（1）把裝水的塑料管從杯蓋上的洞放入隔熱杯中，把溫度傳感器插入塑料試管中采集管內(nèi)水的溫度，通過透明隔熱杯的觀察窗可以觀察水的凝固現(xiàn)象并記錄狀態(tài)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集器上的溫度時間圖像得到水完整的凝固過程信息。

（2）將已結(jié)冰的試管從冰鹽水中取出，用雙手捂住試管給試管加熱，觀察冰熔化現(xiàn)象并記錄狀態(tài)的變化，結(jié)合溫度傳感器在電腦上得到冰熔化過程的溫度時間圖像得到完整的冰的熔化過程。

5 此裝置的其他價值—— 研究性學(xué)習(xí)

此自制裝置取材生活、制作簡單并可以多次重復(fù)使用，課后還可以為學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，開展多個研究性學(xué)習(xí)課題，例如：

（1）水混有雜質(zhì)以后熔點以及凝固點的變化情況。

（2）有哪些常見物質(zhì)可以和水混合作為制冷源？

（3）和鹽混合以后體積問題。

（4）配合力的傳感器探究熔化和凝固過程中質(zhì)量問題。

（5）凝固以及冰熔化過程中體積隨溫度的變化規(guī)律……

6 討論與評價

6.1 改進的優(yōu)點

該裝置取材容易、制作簡單；保存、攜帶、使用安全方便；可多次重復(fù)使用；提高了實驗的精確度；縮短了實驗時間；設(shè)計更為完整、科學(xué)、合理。

（1）冰鹽水作為制冷源解決了原實驗中取碎冰困難；避免了冰沫間隙帶來的影響；可以采集到0°以下多組數(shù)據(jù)，使實驗更加科學(xué)，完整。冰塊撒鹽比用濃鹽水放入冰箱冷凍得到的冰鹽水的溫度更低；冰鹽水比酒精和水混合更穩(wěn)定，可以重復(fù)使用。

（2）塑料管可以避免凝固過程中管冷縮以及水反常膨脹帶來的爆裂；選細(xì)管可以縮短凝固以及熔化所需要的時間；管上的刻度可以為課后研究性學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件。

（3）銅絲導(dǎo)熱性好，盡可能均勻置入銅絲可以保證受熱均勻，節(jié)約實驗時間；避免攪拌帶來的操作繁瑣。

（4）溫度傳感器探頭靈敏度高，可以隨時間連續(xù)記錄，示數(shù)直觀并能實時變化，實驗數(shù)據(jù)更加精確；避免熔化或凝固過程太快無法準(zhǔn)確讀數(shù)；可以讓學(xué)生接觸了解前沿教學(xué)設(shè)備，和新教材接軌。

（5）用手捂加熱安全可靠，受熱均勻；手可以讓學(xué)生體會到熔化吸熱的關(guān)鍵過程，這種體驗式活動有利于調(diào)動學(xué)生參與激情以及激發(fā)思維發(fā)散；大大的簡化了裝置。

此自制裝置的塑料管比較迷你，手捂的熱量以及環(huán)境溫度的影響再結(jié)合銅絲的作用足以為熔化過程供熱。

（6）此裝置比原實驗多了水凝固過程，對比性強，能讓學(xué)生在實驗中得到水熔點凝固點相等的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔云良.“探究冰的熔化特點”實驗改進[J].中學(xué)物理：初中版，2012：22-23.