晶體熔化時(shí)物質(zhì)溫度問題的質(zhì)疑、實(shí)踐和思考

陜西省西咸新區(qū)灃西新城大王初級(jí)中學(xué)(710301) 李參軍

陜西師范大學(xué)出版總社(710062) 郅 然

1 問題的提出

在初中物理的各類練習(xí)冊(cè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)類似的題目：如圖1所示，燒杯和小試管中都裝有碎冰塊(小試管和燒杯不接觸)，用酒精燈對(duì)燒杯底加熱，當(dāng)燒杯中的冰塊有大半熔化時(shí)，小試管中的冰塊____(選填“會(huì)”或“不會(huì)”)熔化，理由是__________。

對(duì)于這樣的題目，常規(guī)的解題思路是：用酒精燈加熱燒杯，燒杯中的冰會(huì)吸熱達(dá)到熔點(diǎn)熔化；但是當(dāng)燒杯中的冰大半熔化而未完全熔化時(shí)，燒杯中冰水混合物的溫度仍為0 ℃，所以小試管中的冰可以從燒杯中的冰水混合物中吸熱使溫度也達(dá)到冰的熔點(diǎn)0 ℃；但這時(shí)因?yàn)閮烧邷囟认嗟?，所以小試管中的冰不?huì)再吸熱了，所以其中的冰是不會(huì)熔化的。所以答案是：不會(huì)，燒杯中的冰熔化溫度在0 ℃保持不變，小試管的冰不能從外界吸熱。

每次遇到類似的題目，學(xué)生都會(huì)問題不斷。如果是成績(jī)較差的學(xué)生出錯(cuò)也就罷了，往往還有不少優(yōu)等生在這里也想不通，甚至提出一些很尖銳的問題，使人難以“自圓其說”。例如，有學(xué)生就提出了這樣的反駁意見：假如說燒杯中冰和水的溫度都是0 ℃，這樣小試管中的冰達(dá)到0 ℃后將不能再吸熱熔化，那么如果靠近燒杯的冰熔化完了，燒杯中間的冰又是如何熔化的呢？因?yàn)闊械乃疁囟纫恢笔? ℃，冰不能直接從燒杯吸熱，也不能從水中吸熱，所以燒杯中的冰也不能熔化。顯然，燒杯中的冰是可以熔化的，它的吸熱只能依靠水，所以可得水的溫度一定高于0 ℃，而既然燒杯中水的溫度高于0 ℃，所以酒精燈加熱時(shí)小試管中0 ℃的冰也可以從水中吸熱熔化。

2 實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)結(jié)論的矛盾

強(qiáng)詞奪理的否定學(xué)生的說法顯然不是明智之舉，只能依靠實(shí)驗(yàn)來解決問題。沒有想到的是，實(shí)驗(yàn)竟然支持了學(xué)生的說法。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)用酒精燈給燒杯正常加熱時(shí)，當(dāng)燒杯中的冰熔化不久后，小試管中的冰也開始熔化。而且實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，冰熔化時(shí)水的溫度確實(shí)略高于0 ℃，正常加熱情況下，水的溫度可以達(dá)到2～5 ℃。而只有在非常緩慢加熱的情況下，燒杯中水的溫度才基本上保持在0 ℃，而小試管中的冰也只有很少量熔化，但是很難做到完全不熔化。

3 反思和新的猜想

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果促使筆者對(duì)“冰水混合物的溫度規(guī)定為0 ℃和晶體熔化時(shí)溫度不變”的說法進(jìn)行了深刻的反思。

實(shí)驗(yàn)中，正常加熱時(shí)冰水混合物中水的溫度高于0 ℃，而只有在緩慢加熱時(shí)水的溫度才基本保持在0 ℃，可見冰水混合物的溫度是0 ℃的說法顯然是有條件的，很可能這一說法只在大學(xué)物理所說的緩慢變化的準(zhǔn)靜態(tài)下才成立。然而，考慮到人教版8年級(jí)上冊(cè)物理教材中冬天湖水溫度分布圖(見圖2)，即使在較為穩(wěn)定的狀態(tài)下，冰水混合物的溫度為0 ℃的說法也是存在問題的。冬天湖水溫度分布圖中，靠近冰面的水的溫度是0 ℃，越往下水溫越高。而冰下的溫度是0 ℃，其上的溫度又不斷降低，直到冰面的溫度與外界大氣的溫度基本相等，可以是零下十幾攝氏度甚至更低。也就是說，即使是較為穩(wěn)定的狀態(tài)下，冰水混合物中冰和水的溫度都可以不同，并不一定都是保持在0 ℃。故此，筆者認(rèn)為冰水混合物的溫度是0 ℃必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：一是冰和水是較為均勻分布的，不能界限分明各自成一體；二是冰水吸熱或放熱比較緩慢，能保持其溫度的平衡。

圖2 冬天湖水溫度分布圖

4 新猜想的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)論

既然冰水混合物中冰和水的溫度可以不同，那么堅(jiān)持熔化過程中物質(zhì)溫度的不變似乎也就沒有多大的價(jià)值了，那么晶體熔化的過程中物質(zhì)的溫度是否改變呢？筆者不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)并參考其他教師的改進(jìn)方案，但總是發(fā)現(xiàn)晶體熔化時(shí)物質(zhì)溫度的改變，相信許多老師也不會(huì)否認(rèn)這一事實(shí)。所以筆者就想，與其不斷的想方設(shè)法使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果等同于理論，還不如反其道而行之，不對(duì)實(shí)驗(yàn)做任何限制，干脆做一個(gè)常規(guī)狀態(tài)下更貼近實(shí)際的熔化實(shí)驗(yàn)。先取出冰箱冷凍室中高度最大的箱子，在箱子中放一個(gè)裝有大半杯水的燒杯，并在燒杯附近放一個(gè)小架子，用以固定在燒杯內(nèi)的側(cè)壁附近和中央的水中分別插入的兩個(gè)溫度計(jì)，然后把整個(gè)箱子輕輕推入冷凍室冷凍。在做燒杯中的大冰塊熔化實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察的現(xiàn)象是：用酒精燈對(duì)燒杯加熱時(shí)，先是燒杯底和側(cè)壁附近的冰迅速升溫熔化，而當(dāng)燒杯底和側(cè)壁附近的冰開始熔化時(shí)，燒杯中間冰的溫度還是剛從冰箱拿出來時(shí)的溫度(零下十幾攝氏度)；隨著熔化的進(jìn)行，水越來越多，水溫慢慢升高，而冰塊中間溫度計(jì)的示數(shù)開始保持不變，等一會(huì)兒后才開始慢慢升高；最后，當(dāng)冰塊將要完全熔化時(shí)，燒杯中的水溫已經(jīng)超過10 ℃。這個(gè)實(shí)驗(yàn)充分說明了：冰在熔化過程中，冰和水的溫度可以不相同，水的溫度可以高于0 ℃，而冰的溫度也可以低于0 ℃；但是冰的溫度不到0 ℃不會(huì)熔化，而且一旦冰的溫度達(dá)到0 ℃一吸熱就熔化。所以，筆者認(rèn)為：熔化過程中溫度不變并不是晶體熔化的實(shí)質(zhì)。而晶體熔化的實(shí)質(zhì)是：晶體有一定的熔點(diǎn)，晶體溫度只有達(dá)到熔點(diǎn)才能熔化，而且一旦晶體溫度達(dá)到熔點(diǎn)再吸熱就必然熔化。

5 啟發(fā)與建議

教材中把只有在嚴(yán)格條件下才成立的“晶體熔化時(shí)溫度不變”作為教條傳授給學(xué)生，而生活中的晶體熔化并不滿足這一條件，一些教師更是強(qiáng)化這一在嚴(yán)格條件下才成立的結(jié)論，必然會(huì)導(dǎo)致理論與實(shí)踐的分離甚至矛盾，其后果是非?？膳碌?。而近年來，每當(dāng)考試中出現(xiàn)了本文開頭類似的題目都會(huì)引起學(xué)生的爭(zhēng)議?？隙▽W(xué)生的看法中考肯定失分，否定學(xué)生的看法則顯然有違生活常識(shí)，而給出折中的說法(讓學(xué)生思想中保持自己的觀點(diǎn)、答題時(shí)按照書上的說法)又會(huì)引發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科甚至整個(gè)自然科學(xué)的懷疑，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神是非常不利的。

因此，筆者建議，初中課本要貼近實(shí)際，更要講究科學(xué)，就要舍棄在嚴(yán)格的理論條件下才成立的與生活實(shí)際不符的“晶體熔化時(shí)溫度不變”的結(jié)論，而只保留“晶體有一定的熔化溫度”這一更普遍和科學(xué)并且更貼合實(shí)際的結(jié)論。當(dāng)然，這時(shí)熔化與凝固圖像的問題也可以忽略，以大大減輕學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)。