探究海波的熔化與凝固實驗帶來的思考

劉華麗

摘要：探究固體熔化時溫度的變化規(guī)律是人教版物理上冊八年級第三章第二節(jié)內(nèi)容，是學(xué)生在初中物理課中接觸到的第一個相對完整的科學(xué)探究活動。做好海波的熔化和凝固實驗可以幫助學(xué)生對科學(xué)探究建立完整的認(rèn)識，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。海波熔化實驗既是教學(xué)的重點，又是難點。本文主要從教材中的實驗方法出發(fā)，提出實驗中所存在的問題及改進(jìn)的措施，從而提高演示實驗的成功率，使學(xué)生更加直觀地理解知識。

關(guān)鍵詞：晶體；非晶體；熔化；凝固；過熱；過冷

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1992-7711（2021）07-0120

海波的熔化與凝固實驗是人教版八年級物理上冊第三章第二節(jié)中的內(nèi)容。做好該實驗有利于引導(dǎo)學(xué)生正確理解“晶體熔化和凝固的過程中雖吸熱或放熱但溫度保持不變”這一實驗事實。平時實驗教學(xué)中，由于教師按照初中教材上的方法進(jìn)行實驗，經(jīng)常會出現(xiàn)“過熱和過冷”的現(xiàn)象，實驗無法取得完美成功，這也是目前初中物理教育實驗中教學(xué)成功率很低的一個典型實驗。因此，很多教師都只會選擇通過觀看教學(xué)視頻或者按照教師講物理實驗的教學(xué)方式完成實驗教學(xué)，就更加不用說按照初中教參給出的教學(xué)建議讓學(xué)生自己分組進(jìn)行完成。

一、海波熔化和凝固實驗中的常見問題及原因分析

1.海波熔化現(xiàn)象實驗時靠近試管壁的海波已經(jīng)開始熔化，但由于海波內(nèi)部溫度尚未完全到達(dá)熔點，熔化現(xiàn)象過程很不明顯且難以清晰地看到固液共存，溫度始終保持不變的熔化過程，即“過熱”現(xiàn)象。如果按照記錄出來的這些數(shù)據(jù)繪制成圖像后和非晶體材料（例如石蠟）熔化時溫度隨時間變化的一樣，造成學(xué)生不愿意相信教師和教材中說的“固液共存，不斷吸熱但溫度始終保持不變”的實驗現(xiàn)象的存在。

2.海波凝固時溫度下降很快，大大低于凝固點后又上升到凝固點，即發(fā)生“過冷”現(xiàn)象。記錄出來的數(shù)據(jù)繪制成圖像會很奇怪，比課本晶體凝固圖像多了一個“V”字形。

出現(xiàn)“過熱”現(xiàn)象導(dǎo)致這個實驗失敗的一個主要原因就是教師沒有很好地控制大燒杯中水的溫度，水溫連續(xù)上升快，短短的時間內(nèi)試管壁海波的溫度就到達(dá)了熔點，然后海波就開始熔化了；而溫度計周圍的海波內(nèi)吸收的熱量較少且溫度還沒有達(dá)到熔點，所以才會出現(xiàn)試管里的海波一直在熔化，溫度計的示數(shù)一直升溫的現(xiàn)象，在內(nèi)部溫度上升至熔點后，所有晶體幾乎全部熔化，因而也就難以很好地觀察和看到海波熔化時“固液共存、不斷吸熱溫度始終保持不變”令人驚奇的過程。

出現(xiàn)“過冷”現(xiàn)象的原因有：由于海波純度太高導(dǎo)致凝固過程無凝結(jié)核，或雖有凝結(jié)核但由于攪拌不充分導(dǎo)致凝結(jié)核未均勻移動等。但是實際教學(xué)中由于海波熔化實驗成功率很低，很多教師不愿花費時間完成一個實驗現(xiàn)象可能與課本結(jié)論不一樣的操作，所以看不到海波凝固“過冷”現(xiàn)象；即使做了海波熔化實驗后做凝固實驗時看到了“過冷”現(xiàn)象，但覺得解釋給學(xué)生更麻煩，就干脆不做實驗，而是選擇用別人實驗成功的視頻或者照課本講。其實做海波凝固實驗時，當(dāng)溫度降到50°C左右要不斷攪拌，特別是當(dāng)看到有海波晶體析出時更需要攪拌，直到海波即將全部凝固時再停止。這樣才可以讓海波避免出現(xiàn)“過冷”現(xiàn)象，從而完美地呈現(xiàn)海波凝固時“固液共存，不斷放熱溫度始終保持不變”的現(xiàn)象。

二、海波熔化實驗教學(xué)的改進(jìn)思路及措施

1.控制試管內(nèi)外溫度差解決“過熱”現(xiàn)象

控制試管內(nèi)外溫度差的關(guān)鍵是用小火加熱，減小海波內(nèi)部的受熱不均問題。在實際教學(xué)中，筆者是這樣操作的。

首先選兩盞酒精燈，一盞火焰大些，一盞火焰要比較小。實驗采用水浴法加熱，燒杯的水要足夠多，便于溫度緩慢上升。先用火焰大的酒精燈對燒杯加熱，燒杯水溫在40°C以下時控制水與海波之間的溫差始終在小于5°C的范圍內(nèi)；當(dāng)水溫到45°C時改用火焰小的酒精燈對燒杯加熱，此時加熱的過程中密切關(guān)注水溫的變化，當(dāng)水溫到達(dá)45°C要對水溫嚴(yán)格控制不可超過海波溫度的2°C；海波熔化過程要保持燒杯水溫在49°C -50°C最好。

2.提高操作性突破學(xué)生動手難題

教參中建議將海波進(jìn)行研磨，實驗前先將海波研磨成粉，越細(xì)越好，使顆粒完全包裹住溫度計的下端，從而使測得的海波的溫度更為準(zhǔn)確。教師做演示實驗可以采用，但是要開展學(xué)生分組實驗這個工作量就大了，而且讓學(xué)生會誤以為海波本來就是粉末狀的。

課本實驗裝置中海波、溫度計、攪拌棒是放在大試管中的，但是在實際操作中會發(fā)現(xiàn)，大試管內(nèi)部空間太小，試管太深了，攪拌棒往往用細(xì)鐵線代替，攪拌時操作效果不理想，造成海波受熱不均勻，很容易出現(xiàn)“過熱”情況，導(dǎo)致實驗失敗。

如果用小燒杯代替大試管可以解決因攪拌難導(dǎo)致受熱不均問題。攪拌棒可改用小勺子，實驗時可以上下左右翻攪小燒杯中的海波，使其內(nèi)部溫差減小。此時還要用鐵線制作一個可以固定小燒杯的三腳架的儀器，確保小燒杯在攪拌時保持穩(wěn)定。

3.采用數(shù)字溫度計和投屏技術(shù)

實際課堂教學(xué)中，順利完成海波熔化實驗大概需要15～20分鐘，特別是在等待讀取數(shù)據(jù)時學(xué)生參與度通常是很低的，看不見溫度計液柱變化，看不清海波熔化狀態(tài)下的變化，所以建議有條件的學(xué)?？梢詫⒁后w溫度計改用數(shù)字式溫度計，在演示時，只要把溫度計探頭插入海波中，溫度數(shù)值就能直接顯示在數(shù)字屏幕上，同時利用智能手機(jī)的視頻功能投屏到電子白板上，學(xué)生均能清晰看見。另外，教師還可以詳細(xì)記錄本次熔化實驗的整個過程，課后可以分析本次熔化實驗的成功之處和實驗失敗了的原因。

物理實驗課程的教學(xué)目標(biāo)要求是不斷提高和培養(yǎng)學(xué)生的物理科學(xué)綜合素質(zhì)，提高和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)綜合素養(yǎng)的能力關(guān)鍵在教師。物理教師更應(yīng)該不斷努力，以提高自身的物理實驗教學(xué)素養(yǎng)。在平時面對物理教學(xué)過程中的困難，我們必須充分發(fā)揮自身的主觀能動性，突破物理教學(xué)中的瓶頸才能更上一層樓。筆者經(jīng)歷了二十多年的實驗教學(xué)，前十多年每次實驗教學(xué)活動進(jìn)行到本節(jié)課內(nèi)容，都選擇用實驗完成，有成功但更多時候是實驗失敗。從而能充分體驗到學(xué)習(xí)物理這門學(xué)科給學(xué)生帶來的一種經(jīng)歷性和探究性的過程，在實驗過程中不斷觀察、發(fā)現(xiàn)、思考、討論，在每次實驗中不斷發(fā)現(xiàn)驚奇、獲得全新知識，體驗成功的喜悅。

（作者單位：廣西賀州市實驗中學(xué)542899）