“物態(tài)變化”的教學(xué)思考與實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

陸挺

[摘 要]通過(guò)對(duì)“物態(tài)變化”教學(xué)過(guò)程中常見(jiàn)的幾個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行深入思考，分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的局限性與缺陷，并有針對(duì)性地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。文章具體分析下面四個(gè)問(wèn)題：1.“白氣”是氣體還是液體 ？2.固體熔化過(guò)程中，溫度升高還是不變？3.液體蒸發(fā)過(guò)程中，是先吸熱還是先蒸發(fā)？4.當(dāng)將高溫水蒸氣通入燒杯中的冷水里時(shí)，是液化放熱還是傳導(dǎo)放熱？并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討，或是改進(jìn)完善。

[關(guān)鍵詞]物態(tài)變化；教學(xué)思考；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-6058（2018）29-0055-02

“物態(tài)變化”是初中物理教學(xué)中較為獨(dú)立的一部分知識(shí)，與生活實(shí)際聯(lián)系緊密，但并不意味著學(xué)生很容易理解這部分知識(shí)，很多時(shí)候，學(xué)生對(duì)物態(tài)變化的理解只浮于表面，造成了很多錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。針對(duì)這一情況，在“物態(tài)變化”教學(xué)中既要讓學(xué)生清晰地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又要使學(xué)生深入了解物態(tài)變化的本質(zhì)，讓學(xué)生把現(xiàn)象和本質(zhì)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，并能分析解決實(shí)際問(wèn)題。

一、“白氣”是氣體還是液體

初二學(xué)生對(duì)自然界物質(zhì)的三種狀態(tài)有初步認(rèn)識(shí)，知道冰、霜等是自然界中水的狀態(tài)，但是對(duì)水蒸氣的認(rèn)識(shí)卻錯(cuò)誤者居多。在沒(méi)有學(xué)習(xí)“物態(tài)變化”時(shí)約80%學(xué)生認(rèn)為霧、燒開(kāi)水冒的“白氣”是水蒸氣。[1]針對(duì)這些問(wèn)題筆者設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)，以糾正學(xué)生的相關(guān)錯(cuò)誤。

1.用超聲波加濕器說(shuō)明霧是小水珠

在課上展示，讓學(xué)生看加濕器，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，發(fā)出白霧。加濕器原理是把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水變成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣的濕度，這就是超聲波加濕的原理。用此裝置能使學(xué)生對(duì)“霧是小水珠”有一個(gè)直觀的感受。

2.二次加熱反證

如圖1，不斷地給燒瓶加熱直至燒瓶中的水沸騰后，在管口會(huì)出現(xiàn)“白氣”，如果在管口處用酒精燈加熱（如圖2），“白氣”又會(huì)消失。利用此方法也證明了“白氣”不是水蒸氣，而是小水珠，加熱“白氣”后，它汽化了，才會(huì)變成無(wú)色無(wú)味的水蒸氣。

經(jīng)過(guò)正反實(shí)驗(yàn)證明，學(xué)生普遍能糾正前概念的錯(cuò)誤，認(rèn)識(shí)到水蒸氣是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，我們用眼睛是看不到的，我們看到的“白氣”是大量的小水滴聚集在一起，經(jīng)光線(xiàn)反射、折射和散射，進(jìn)入眼睛而看到的。

二、固體熔化時(shí)，溫度升高還是不變

在做晶體熔化實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用水浴法加熱，目的是使被加熱的物體受熱均勻，但試管中的晶體，從與試管內(nèi)壁接觸部分到試管中心部分存在溫度差，越靠近管壁的地方溫度越高，這樣做，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是十分理想；另外，原實(shí)驗(yàn)裝置尺寸小，不便觀察固液共存狀態(tài)。筆者對(duì)冰熔化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，增大了實(shí)驗(yàn)裝置，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。學(xué)生利用課間時(shí)間進(jìn)行觀察。第一天預(yù)先在冰箱里凝固好幾大塊冰，第二天取出幾塊大冰，在大塊冰中鉆一個(gè)孔，放入數(shù)字溫度計(jì)的探頭，起始溫度為-5℃，這時(shí)所有冰均未熔化，當(dāng)有液態(tài)水出現(xiàn)時(shí)，把大塊冰敲碎，讓探頭伸入到冰水混合物中，能保證溫度基本維持0℃，這樣的冰水混合物狀態(tài)能維持大約兩節(jié)課時(shí)間（90分鐘），期間適當(dāng)調(diào)整探頭的位置，使其保持在冰與水的夾層中。這樣的大裝置好處很多，學(xué)生觀察清晰，2節(jié)課間雖然冰水混合物中冰的含量不同，但溫度基本保持0℃，還有裝置大，受環(huán)境溫度影響小。

對(duì)于非晶體熔化的實(shí)驗(yàn)，如果用酒精燈加熱會(huì)因?yàn)槭軣岵痪鶆蚨霈F(xiàn)類(lèi)似固液共存的狀態(tài)，對(duì)學(xué)生理解非晶體產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾。筆者采用了在自然高溫（浴霸）下讓其緩慢熔化，能看出漸變的過(guò)程，蠟由硬變軟，逐漸黏稠，以此說(shuō)明非晶體沒(méi)有固液共存的狀態(tài)，溫度也會(huì)隨著環(huán)境溫度不斷上升。

通過(guò)把實(shí)驗(yàn)時(shí)間拉長(zhǎng)，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，讓學(xué)生直觀了解晶體和非晶體熔化過(guò)程中溫度的變化情況。

三、液體蒸發(fā)時(shí)，先吸熱還是先蒸發(fā)

那么蒸發(fā)要吸熱，如果液體無(wú)法吸熱，蒸發(fā)是否就無(wú)法進(jìn)行了呢？從宏觀角度分析，熱量轉(zhuǎn)移的條件是有溫度差，液體若能從外界吸熱，勢(shì)必外界溫度比液體自身的溫度高。那么，當(dāng)液體處于和自身溫度相同甚至比自身溫度低的環(huán)境中時(shí)，無(wú)法從外界吸熱，還能蒸發(fā)嗎？當(dāng)然可以，因?yàn)檎舭l(fā)是液體在任何溫度下都可以發(fā)生的一種物態(tài)變化。由此可見(jiàn)，吸熱并非蒸發(fā)的條件。

從微觀角度解釋?zhuān)舭l(fā)是由于液體表面的一些動(dòng)能較大的分子，擺脫了其他液體分子對(duì)它的束縛，運(yùn)動(dòng)到空氣中去了。[2]而分子熱運(yùn)動(dòng)是永不停息的，是不受溫度限制的，在任何溫度條件下都會(huì)進(jìn)行的，也就是說(shuō)在任何環(huán)境溫度下液體表層的分子都有可能運(yùn)動(dòng)出去，因此蒸發(fā)也不是在吸熱的條件下才發(fā)生。只是由于溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，平均動(dòng)能越大，一定時(shí)間內(nèi)擺脫束縛，運(yùn)動(dòng)到外界的分子就越多，所以蒸發(fā)越快。

由于部分動(dòng)能大的分子的離開(kāi)，必然使剩余液體分子的平均動(dòng)能有所降低，內(nèi)能減小，宏觀上表現(xiàn)為液體自身溫度降低。當(dāng)液體自身溫度降低到比外界溫度低時(shí)，必然發(fā)生熱傳遞，使液體從外界吸收熱量，同時(shí)也使外界溫度降低。這就是“蒸發(fā)吸熱，使自身及周?chē)奈矬w溫度降低，有致冷效果”的原因。

綜上所述，吸熱并非蒸發(fā)的先決條件，而是蒸發(fā)帶來(lái)的結(jié)果，是先有了“蒸發(fā)”才有“吸熱”。物態(tài)變化的過(guò)程伴隨著能量的轉(zhuǎn)移，但能量的轉(zhuǎn)移究竟是某現(xiàn)象發(fā)生的條件還是結(jié)果，還需要我們具體問(wèn)題具體分析。

四、當(dāng)用高溫水蒸氣通入燒杯中的冷水里時(shí)，是液化放熱還是傳導(dǎo)放熱

在“物態(tài)變化”教學(xué)中，不少教師經(jīng)常用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)證明氣體液化過(guò)程要放熱。實(shí)驗(yàn)中，酒精燈加熱水，沸騰后，把高溫的水蒸氣通入燒杯中冷水里，看到燒杯中水增加的同時(shí)溫度也上升了。由此說(shuō)明了水蒸氣液化時(shí)要放熱。但細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)了其中的問(wèn)題，就是通入的水蒸氣本身溫度就很高，二者相混合時(shí)，從熱傳遞的角度來(lái)看，冷水溫度也會(huì)升高。用這種方法證明液化放熱，證據(jù)有所欠缺。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)另取一個(gè)燒杯放入相同的冷水，再倒入100℃的開(kāi)水使混合后的體積與圖3液化后的總體積相同，再比較兩杯水的溫度，才能說(shuō)明液化需要放熱。

初中學(xué)生的思維，處于由具體形象思維向邏輯思維過(guò)渡的階段，若將抽象的物理知識(shí)轉(zhuǎn)換為具體形象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或具體的應(yīng)用，學(xué)生易于接受。學(xué)生在改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)中更易發(fā)現(xiàn)物態(tài)變化規(guī)律，再通過(guò)分析一些生活中的實(shí)際例子，加深學(xué)生對(duì)“物態(tài)變化”的理解，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 金利民. 初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化策略 [J].中學(xué)教學(xué)參考， 2018（5）：45-46.

[2] 顏沸，莫濱.關(guān)于“觀察水的沸騰”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].物理之友，2015（1）：13-15.

（責(zé)任編輯 易志毅）