對晶體的熔化和熔點的測定實驗裝置的改進(jìn)

俞永年

摘 要：改進(jìn)了晶體的熔化的實驗裝置，使整套實驗裝置簡化，降低了實驗的操作難度，實驗的效果得到了明顯的提升。

關(guān)鍵詞：實驗裝置；晶體的熔化；凝固熔點

初中科學(xué)中物質(zhì)的特性之一的熔點是一個重要的概念。晶體有固定的熔點，非晶體沒有固定的熔點。是否存在熔點是區(qū)分晶體和非晶體的依據(jù)。什么叫做晶體？物質(zhì)在熔化過程中存在固定熔點的固體物質(zhì)稱為晶體。沒有固定熔點的固體物質(zhì)稱為非晶體。而這些概念是建立在實驗的基礎(chǔ)之上的。沒有成功的實驗就很難建立科學(xué)準(zhǔn)確的概念。然而，在課堂教學(xué)中，教師依照教材的實驗，往往很難成功。

各地各種版本的教材中對熔化實驗中所采用的實驗晶體的材料有所不同，有的是采用冰作為實驗的材料，取材方便，但冰在南方地區(qū)就不易保存，熔化的過程也太快。浙教版科學(xué)采用的實驗材料一是海波（即硫代硫酸鈉）。實驗裝置都采用了水浴法加熱來減慢晶體升溫的時間，使熔化過程的時間持續(xù)更長。

這兩套實驗裝置是目前科學(xué)課堂上做晶體的熔化實驗最常見的器材，以筆者自己曾利用上述裝置上公開課的經(jīng)歷，分別闡述上述裝置存在的問題：

一、實驗裝置繁瑣

原裝置采用的是500ML大燒杯，內(nèi)置小試管的方法，第一套裝置由于未在燒杯上加蓋，水溫升溫時間大大減慢，實驗時間太長，一節(jié)課難于完成教學(xué)，且海波的固體是熱的不良導(dǎo)體，傳熱時間慢，溫度不均勻，溫度計測量勢必不夠準(zhǔn)確。第二套裝置考慮到了海波的傳熱問題，增加了一個攪拌裝置，而且考慮到了水浴法加熱時，如果內(nèi)外溫差太大，海波的熔化過程勢必也會很快，所以在燒杯中也增加了一支溫度計，來控制內(nèi)外溫差保持在3-5℃，但操作難度大。

裝置2雖然考慮周全，但實驗器材更多。

二、實驗操作復(fù)雜

以上實驗中除了上述器材外，還要用到計時器。在操作以上器材時，必須做到酒精燈加熱的同時，要進(jìn)行攪拌操作，同時觀察水浴加熱的水溫，和浸在海波內(nèi)的溫度計的示數(shù)，保持內(nèi)外溫差控制在3-5℃范圍內(nèi)，同時還要觀察計時器的時間。如此復(fù)雜，即使一位訓(xùn)練有素的教師也難免手忙腳亂。更何況是初次實驗的學(xué)生，因此教師往往要求學(xué)生要小組合作進(jìn)行，然后指導(dǎo)合作的方法，使本已緊張的教學(xué)時間更加緊張。

三、實驗的條件控制難度大

以筆者上公開課的經(jīng)歷，在要求學(xué)生進(jìn)行該實驗操作時，大燒杯中需加水的量應(yīng)控制在400ML左右為宜，太少了水溫升的太快，海波熔化過程太快，實驗現(xiàn)象不明顯。而浙教版教材安排的課程時間已經(jīng)是到了11月底12月初。此時的浙江氣溫一般是在2℃-10℃。水溫如果從室溫開始加熱要達(dá)到48℃的海波的熔點，一節(jié)課時間也不夠。因此教師需準(zhǔn)備40℃溫水，從40℃開始加熱如果控制的好該實驗?zāi)茉?0-15分鐘內(nèi)完成。但由于氣溫的較低，溫水極易降溫和酒精燈火焰大小的差異，實驗時間還是不太好控制。如果采用冰作實驗材料，冰的制取和儲存也較麻煩。

四、實驗數(shù)據(jù)不太明顯

按以上實驗裝置進(jìn)行的實驗，實驗是要求每隔1分鐘讀數(shù)，熔化過程持續(xù)的時間往往太短，有時能取到的平臺數(shù)據(jù)只有2，3組，也就是2，3分鐘內(nèi)熔化已經(jīng)完成。這樣和非晶體的熔化區(qū)別就不太明顯。往往不能幫助學(xué)生建立清晰的晶體和非晶體概念。

改進(jìn)方法：

針對以上問題，筆者設(shè)計了一套新的晶體熔化實驗裝置。其結(jié)構(gòu)如下：

四、簡化裝置結(jié)構(gòu)，提高實驗安全性

該裝置省去了鐵架臺，石棉網(wǎng)，計時器，酒精燈等儀器。改進(jìn)裝置設(shè)備整體集成度好，攜帶方便。由于采用了自動溫控技術(shù)，使整套實驗裝置的溫度控制在55-65℃之間，大大提高了實驗者的安全性。本裝置發(fā)熱功率小，約在25W左右，適于實驗室大面積使用。

五、簡化實驗操作，提高實驗精度

改進(jìn)后的裝置采用了電熱絲加熱替代了酒精燈加熱，熱源發(fā)熱量的高低通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源電壓高低進(jìn)行調(diào)控。使得不太可控的熱源變成可調(diào)控。實驗時環(huán)境溫度的高低對實驗的進(jìn)度的影響可控。

實驗裝置中采用電熱絲密繞玻璃杯壁，加熱效果均勻，課類同于舊實驗中的水浴法，并省去了水浴法操作的繁瑣。加了保溫層的采用雙層玻璃結(jié)構(gòu)使熱量不易散失，熱效率高。本實驗裝置放棄了傳統(tǒng)的玻璃溫度計，而改用了電子溫度計，原因是傳統(tǒng)的玻璃溫度計普遍存在刻度不準(zhǔn)確，測量誤差大等問題。而電子溫度計精度高，同時集成了計時器，應(yīng)用于實驗是現(xiàn)代科技在教學(xué)中的應(yīng)用。

筆者在是實測過程中，更是采用了帶數(shù)據(jù)采樣和處理系統(tǒng)的RC-4溫度計，將溫度計連接到上，將測量的數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)軟件直接在電腦屏幕上顯示出來，圖形清晰。以下是實測的數(shù)據(jù)：

從圖像可以看出整個實驗的時間控制在了10分鐘以內(nèi)，數(shù)據(jù)采樣出的熔化平臺時間長，熔化過程中溫度保持不變的特征明顯?？傮w的實驗效果要優(yōu)于傳統(tǒng)實驗裝置的效果，值得在教學(xué)中推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱清時.七年級科學(xué)教學(xué)參考書[M].浙江教育出版社.

（作者單位：浙江吳興實驗中學(xué)）