利用半導(dǎo)體制冰機(jī)完成水凝固和冰熔化實(shí)驗(yàn)的研究

劉彩麗

【摘要】針對人教版物理八年級上冊第三章物態(tài)變化《第2節(jié)熔化和凝固》教材中實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題及原因進(jìn)行深入剖析，并利用半導(dǎo)體制冰機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能有效地突破冰水混合時溫度不變的教學(xué)難點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理;半導(dǎo)體制冷片;導(dǎo)冷鋁塊;散熱器;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、教材中對實(shí)驗(yàn)的處理和存在的困難

（一）關(guān)于教材的課標(biāo)要求

“晶體熔化和凝固”是人教版物理八年級上冊第三章物態(tài)變化《第2節(jié)熔化和凝固》的重點(diǎn)難點(diǎn)，課標(biāo)對“晶體熔化與凝固”實(shí)驗(yàn)的要求是通過探究實(shí)驗(yàn)，記錄晶體在熔化和凝固過程中的溫度變化，利用數(shù)據(jù)繪制圖象，學(xué)會用圖象分析的方法得出物理規(guī)律，即晶體在熔化或凝固過程中雖然會吸熱或放熱但都能保持溫度不變的特點(diǎn)。

（二）教材對這個實(shí)驗(yàn)的處理

為了突破“晶體熔化時溫度不變”這一教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，人教版教材選用的晶體是海波，裝置如圖1所示，可是在實(shí)際課堂演示實(shí)驗(yàn)操作過程中很難得到海波熔化過程溫度不變的理想數(shù)據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)要么海波熔化時間很短，要么海波吸熱溫度上升的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不支持實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以進(jìn)行。對于凝固，課本沒有液體凝固形成晶體的實(shí)驗(yàn)，而是直接給出晶體凝固圖象，課本的表述是“液體凝固形成晶體時也有確定的溫度，這個溫度叫做凝固點(diǎn)。同一種物質(zhì)的凝固點(diǎn)和它的熔點(diǎn)相同?！弊寣W(xué)生從凝固時溫度隨時間變化曲線得出規(guī)律。

（三）教材實(shí)驗(yàn)中存在的困難

利用海波做晶體熔化實(shí)驗(yàn)，教師最擔(dān)心的問題是本次實(shí)驗(yàn)中的海波是否能在熔化過程中保持一定時間（最好有3分鐘）溫度不變，這樣描繪出來的圖象才比較理想。海波為什么在熔化過程中溫度發(fā)生變化呢？原因大概有三個：一是實(shí)驗(yàn)室購買的海波純凈度不夠;二是裝海波的藥品罐密封性不好，海波容易受潮;三是加熱海波用的是水浴法，沈陳老師指出大燒杯與小試管之間的溫差必須控制在5℃以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才比較明顯。而且要準(zhǔn)備多支溫度計(jì)測量大燒杯的水溫，初溫控制在37℃左右，因?yàn)榇鬅乃疁剡^冷會加長實(shí)驗(yàn)時間，過熱會導(dǎo)致海波熔化的時間大大縮短，所以教師必須準(zhǔn)確調(diào)制好大燒杯的水溫，這無疑是教師課前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的一個負(fù)擔(dān)，比較難掌控好。本文介紹的是利用半導(dǎo)體制冰機(jī)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，選用水和冰做實(shí)驗(yàn)，凸顯冰水混合時溫度不變的特點(diǎn)。

二、水凝固和冰熔化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

（一）先做水凝固實(shí)驗(yàn)再做冰熔化實(shí)驗(yàn)

一般教學(xué)過程的處理都是由熔化直接進(jìn)行推導(dǎo)得出晶體凝固時溫度也是不變的，同種晶體的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)相同這個知識點(diǎn)。但這樣處理說服力不強(qiáng)，學(xué)生印象不深，理解也不透徹。筆者利用半導(dǎo)體制冰機(jī)先做水凝固實(shí)驗(yàn)，接著做冰熔化實(shí)驗(yàn)，這樣既符合半導(dǎo)體制冰機(jī)的使用特點(diǎn)，也能夠使學(xué)生觀察到水凝固成冰冰熔化成水的過程，并在實(shí)驗(yàn)過程中測量記錄溫度隨時間變化數(shù)據(jù)，利用圖像分析法理解晶體在凝固和熔化時的溫度不變的特點(diǎn)，認(rèn)識發(fā)生物態(tài)變化時溫度隨時間變化規(guī)律及觀察對應(yīng)的狀態(tài)的變化，突破冰水混合時溫度不變的教學(xué)難點(diǎn)。

（二）半導(dǎo)體制冰機(jī)的制作方法

方軍老師指出利用冰凍鹽水作為“冷源”可以實(shí)現(xiàn)水凝固結(jié)冰過程，并能測出結(jié)冰過程中0℃以下的溫度。但是這冰凍鹽水應(yīng)如何儲存？到底能儲存多長時間？實(shí)驗(yàn)不僅要提前一天準(zhǔn)備，而且萬一冰凍鹽水在上課前熔化就很難在短時間內(nèi)再重新凝固，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法進(jìn)行了。蔣馨雅和桑芝芳老師指出，“從實(shí)驗(yàn)安全、實(shí)驗(yàn)材料的普及性以及操作難度角度來說冰的確是最佳的選擇。”本文提到的半導(dǎo)體制冰機(jī)可以隨時隨地使水快速凝固，半導(dǎo)體制冰機(jī)主要由12V半導(dǎo)體制冷片（如圖2所示）、導(dǎo)冷鋁塊（如圖3所示）、散熱器（如圖4所示）、220V轉(zhuǎn)換12V直流電源（如圖5所示）組成，是一個方便快捷的制冷裝置。

制作步驟：

①在半導(dǎo)體制冷片上下表面均勻薄薄涂上硅脂。

②導(dǎo)冷鋁塊和亞克力板用玻璃膠粘合一起做成水槽，注意導(dǎo)冷鋁塊中間的鋁片要掰彎，方便放入溫度計(jì)的玻璃泡，水槽要提前做好，如圖6所示。

③水槽與半導(dǎo)體制冷片有字面接觸。

④半導(dǎo)體制冷片無字面與散熱器接觸，并用4個塑料螺絲長釘將水槽、制冷片及散熱器固定。

⑤半導(dǎo)體制冷片與散熱器并聯(lián)接在220V轉(zhuǎn)換12V直流電源，這樣就做成一臺半導(dǎo)體制冰機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

⑥實(shí)驗(yàn)用的溫度計(jì)是利用寒暑表改裝的，方便讀取0℃以下的溫度。

三、利用半導(dǎo)體制冰機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一）水凝固和冰熔化實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟

①準(zhǔn)備計(jì)時器、水，將水倒入制冰機(jī)水槽，放入溫度計(jì)，然后接通電源，觀察溫度計(jì)示數(shù)變化，待水溫降到20℃時開始計(jì)時。

②每隔1分鐘記錄一次示數(shù)，約3分鐘水溫度降到0℃開始凝固，再過4分鐘左右可使水完全結(jié)冰，凝固過程直觀明顯，簡便快捷。

③水凝固成冰后，溫度繼續(xù)下降，再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)3分鐘，整個過程需要10分鐘左右。

④保持半導(dǎo)體制冰機(jī)繼續(xù)工作，待冰溫度在-8℃左右斷開電源，開始計(jì)時并記錄溫度，做冰熔化實(shí)驗(yàn)。

⑤每隔1分鐘記錄一次示數(shù)，約1分鐘冰溫度升到0℃開始熔化，再過4分鐘左右可使冰完全熔化（如果覺得時間過長可以用電吹風(fēng)對著導(dǎo)冷鋁塊底部吹熱風(fēng)），熔化過程直觀明顯，簡便快捷。

⑥冰熔化成水后，溫度繼續(xù)上升，再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)3分鐘，整個過程需要8分鐘左右。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖像

如表1是通過讀取溫度計(jì)示數(shù)收集到的水凝固過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

如表2是通過讀取溫度計(jì)示數(shù)收集到的冰熔化過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出水凝固時溫度隨時間變化圖象線如圖8所示，冰熔化時溫度溫度隨時間變化圖象如圖9所示。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像可知，水凝固和冰熔化過程中，冰水混合物溫度保持在0℃不變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確、真實(shí)有效，由于水凝固過程和冰熔化過程時間較長，所以描繪出的溫度隨時間變化圖像很理想，突破冰水混合時溫度不變的教學(xué)難點(diǎn)并使學(xué)生直觀看到同一種物質(zhì)的凝固點(diǎn)和它的熔點(diǎn)相同。