用冰做晶體熔化實驗的研究

王永民

摘 要： 探究式教學作為現(xiàn)代教育理念重點之一，正逐步得到提倡與推廣。物理實驗是學生感受物理思想、領(lǐng)悟物理科學精髓最主要最有效的途徑之一。晶體熔化實驗是初中物理實驗的重點，更是難點，要通過這個實驗在學生頭腦中建立“晶體的熔化過程是一個不斷吸熱的過程，在這個過程中晶體的溫度始終保持在熔點”這一物理規(guī)律。而多年來傳統(tǒng)晶體熔化實驗很難成功，作者通過實驗研究的創(chuàng)新：用冰替代五水硫代硫酸鈉；用塊狀晶體替代粉麼狀或顆粒狀晶體；用氣球替代試管；用體溫加熱替代酒精燈加熱，從而實現(xiàn)簡約的裝置取得顯著的實驗效果。

關(guān)鍵詞： 晶體 冰 熔化 實驗

初中物理學生實驗中，晶體的熔化實驗是學生認識晶體與非晶體區(qū)別的關(guān)鍵。以前的晶體實驗所選用的物質(zhì)是萘，這種物質(zhì)有一定的毒性，現(xiàn)已經(jīng)禁止使用。而現(xiàn)在大多使用五水硫代硫酸鈉，它是一種無色單斜晶體，48.2℃時溶解在自身結(jié)晶水中，在干燥空氣中易風化，易水解，保存較困難，實驗后容器不易清理，殘留多，污染環(huán)境，不能循環(huán)利用，造成浪費。同時很多農(nóng)村學校實驗室中沒有這種藥品，而且傳統(tǒng)晶體熔化實驗用五水硫代硫酸鈉作為實驗晶體。其實驗裝置復雜，安全性差，興趣點少，且不易觀察，實驗成功率低，效果極不明顯。既然冰也是晶體，為什么不能用冰替代五水硫代硫酸鈉來做晶體熔化實驗呢？帶著這個課題，筆者通過長時間的反復思考和多次實驗研究，成功地完成了這個實驗課題，從而改寫了多年來用五水硫代硫酸鈉做晶體熔化實驗多以失敗告終的歷史。

一、具體做法

1.實驗材料準備：水銀溫度計、停表（秒表）、無色透明小氣球、水、注射器、細線等。

2.選擇在自然狀態(tài)下容量為25毫升左右卵形的無色透明氣球，用注射器向氣球內(nèi)注入20毫升的水。用細線繩扎住氣球口，將其吊在冰箱的冷凍室或冰柜內(nèi)冷凍。北方的冬天室外溫度較低時，可放在室外懸掛冷凍。

2.當氣球內(nèi)的水全部冷凍成卵形冰團后，解開細線繩，打開氣球，裸漏出卵形冰的頂部，用手電鉆在冰的頂部打一個直徑稍大于溫度計液泡直徑的洞，洞深以達到卵形冰的中心為宜。這樣一個帶洞的“冰蛋”就做好了。然后用細線繩重新扎住氣球口，將其重新放回冰箱的冷凍室或冰柜內(nèi)繼續(xù)冷凍，待用。

3.實驗時，兩人一組。取出“冰蛋”，打開線繩，將溫度計液泡端插入“冰蛋”的洞內(nèi)，讓溫度計的液泡端和冰充分接觸，以測量冰及其熔化過程中的溫度。

4.讓其中一名學生用雙手掌合起來加熱“冰蛋”，即：體溫加熱。另一名學生記錄時間和溫度，并仔細觀察“冰蛋”的熔化狀態(tài)和溫度。每兩三分鐘記錄一次溫度。當溫度計的示數(shù)上升到0℃時，“冰蛋”表層開始緩慢熔化，10分鐘左右“冰蛋”熔化完結(jié)。實驗時，學生能在冰的熔化過程中，較長時間地觀察到：溫度計的示數(shù)穩(wěn)定在0℃不變。

二、突出特點

1.該實驗方法需要的材料少，裝置簡單，安全可靠。常規(guī)的晶體熔化實驗，一般采用試管裝晶體。利用水浴法加熱。實驗中所用的器材十多個，組裝繁瑣。實驗時還要用酒精燈加熱，具有一定的危險性。溫度計插在試管的晶體中，很容易碰到試管壁，測溫誤差較大。

2.該實驗學生參與性強，可視性大?，F(xiàn)象明顯，學生能明顯觀察到冰在熔點熔化，其溫度保持不變。原實驗器材多，學生很難抓住實驗重點、觀察重點、記錄時機。隔兩層玻璃透水觀察：是很難在很短的時間觀察到晶體的瞬間變化的。大多數(shù)同學看熱鬧，無從記錄，收不到真實數(shù)據(jù)，更談不上得出可靠數(shù)據(jù)。因此，很多老師只是紙上談兵，給出一組理想的數(shù)據(jù)，推出一個讓學生懷疑一生的結(jié)論?；蛘哂枚嗝襟w課件演示一番，有失物理學科的真實性。而改進后的實驗正好相反：原原本本、真真實實地證實了晶體熔化的科學規(guī)律。

3.該實驗源于生活，貼近生活，高于生活。除非精心安排，我們生活中很難看到五水硫代硫酸鈉晶體的熔化，而冰消雪融大多數(shù)人都經(jīng)歷過。冰、雪就是晶體，就在我們身邊。冰的熔化實驗恰恰揭示了晶體的熔化規(guī)律。我們從生活表象走進了物理的實質(zhì)。

4.該實驗可操控性強；實驗效果突出明顯；實驗數(shù)據(jù)真實可靠。原實驗加熱的溫度很難控制，一旦發(fā)現(xiàn)溫度高了，立即停止加熱為時晚矣。我們用冰做晶體熔化實驗，用體溫加熱，可控性強。而且溫差小，加熱緩慢，晶體熔化時間較長，有利于晶體熔化過程的充分體現(xiàn)，因此干擾因素少，實驗效果明顯，實驗數(shù)據(jù)展現(xiàn)充分可靠，得出的實驗結(jié)論學生信服。

5.該實驗所用的晶體——冰。來源廣泛；經(jīng)濟實惠；實驗過程不需酒精燈加熱，不產(chǎn)生廢氣，無毒無味無污染，節(jié)能環(huán)保；材料可重復利用，是真正的綠色實驗。

三、解釋

1.選擇整塊冰的理論依據(jù)。因為整塊晶體受熱是靠晶格的熱導，而分子間的碰撞對導熱又起決定作用。整塊晶體的分子受其分子間的作用只能在其平衡位置附近不停地振動，從而減少分子間碰撞的機會。從熱源傳入的能量主要轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g的勢能（破壞晶體空間點陣），分子動能的變化很小，所以晶體的溫度就沒有顯著改變。從而就保證晶體熔化過程中在一定溫度下進行。

2.冰的形狀問題。我們之所以選用卵形的冰作為實驗晶體，首先是因為它無棱角安全性強，更重要的是讓每個學生都親自體驗到實驗探究的快樂，真切地感受實驗探究的過程，完美地呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象，精確地得出實驗結(jié)論。考慮到冰的熔點較低，在嘗試多種加熱方式后，選擇用體溫（雙手）加熱。為使手掌面和冰塊表面充分接觸，使其均勻受熱熔化，將冰制成卵形。實驗充分證明卵形的冰具有安全可操作性強的明顯特點。

3.溫度計的液泡為什么要置于冰蛋的中心？因為在這個實驗中，溫度計始終要測定的是晶體的溫度。溫度計液泡和冰充分接觸，直至最后完全熔化。我們選擇的加熱方式和冰的形狀及冰洞的位置正是為了保證這一點，這對實驗的成敗非常關(guān)鍵。