“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”的研發(fā)及應(yīng)用

姚仁及

[摘? ?要]為了做好初中物理中的一個難做實(shí)驗(yàn)——“低熔點(diǎn)物質(zhì)的熔化和凝固”實(shí)驗(yàn)，更好地展示晶體、非晶體熔化和凝固的特征，有物理教師結(jié)合教學(xué)實(shí)踐研發(fā)了結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”。在具體實(shí)驗(yàn)中，若能調(diào)整所用的材料，則可大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]初中物理;低熔點(diǎn)物質(zhì);熔化;凝固

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）32-0051-02

在初中物理教材中，學(xué)生觀察、探究物質(zhì)的熔化與凝固一直是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。但是，不論過去用萘作為研究對象，還是現(xiàn)在用海波（硫代硫酸鈉）作為研究對象，普遍存在的問題是：要么加熱過猛，導(dǎo)致晶體熔化時間太短，學(xué)生很難看清熔化特征;要么加熱過緩，實(shí)驗(yàn)時間過長，課堂教學(xué)失去合理的節(jié)奏感，不符合初中生的年齡特征，實(shí)驗(yàn)效率低下。如何提高物質(zhì)熔化與凝固實(shí)驗(yàn)的效果呢？在具體實(shí)驗(yàn)中，既要讓學(xué)生能夠觀察到晶體熔化、凝固的特征，又要能控制實(shí)驗(yàn)時間和教學(xué)節(jié)奏，為此，教師只有在實(shí)驗(yàn)優(yōu)化、教具革新方面下功夫。

一、“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”設(shè)計的背景和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

目前，教材上提供的研究對象是海波和冰。以海波為研究對象，一般做法是利用水浴法加熱，起始溫度控制在35 ℃左右，實(shí)驗(yàn)終止時液體溫度為60 ℃左右。水浴加熱時水量不能太多，水多了，加熱升溫慢，實(shí)驗(yàn)時間就長。水量也不能太少，否則，加熱升溫太快，晶體熔化時間太短，學(xué)生不易觀察晶體熔化特征。對海波也要注意用量，取少了，一旦海波開始熔化，溫度計的液泡無法處于固態(tài)與液態(tài)混合物的中央，盡管海波熔化在持續(xù)，但是溫度計示數(shù)一路飆升，體現(xiàn)不出海波晶體的熔點(diǎn)特征。海波不宜取得太多，因?yàn)楹２ㄊ菬岬牟涣紝?dǎo)體，實(shí)驗(yàn)時要不停地攪拌。特別是在觀察海波凝固時，液態(tài)的海波首先在容器壁凝固析出，這就影響了熱交換，隨著時間的推移，容器中央的液態(tài)海波凝固速度會越來越慢。由于結(jié)晶析出的海波緊緊附著在容器壁上，根本無法攪拌。若用冰作為研究對象，熔化的特征很容易看到，但是在教室里難以把水凝固時的特征展示給學(xué)生。即使能展示，冰也是熱的不良導(dǎo)體，同樣會遇到類似海波凝固時出現(xiàn)的問題。

由于實(shí)驗(yàn)存在瑕疵，所以很可能會使學(xué)生對課本上的結(jié)論產(chǎn)生懷疑，影響學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究和學(xué)習(xí)科學(xué)知識的興趣。因?yàn)檎n堂中的科學(xué)探究和實(shí)驗(yàn)過程用時太長，加之成功率難以保證，久而久之，教師也就放棄了實(shí)驗(yàn)教學(xué)（這是物理教學(xué)過程中的常見現(xiàn)象），進(jìn)而以講實(shí)驗(yàn)代替做實(shí)驗(yàn)。物理教學(xué)一旦放棄了動手實(shí)驗(yàn)，“學(xué)科關(guān)鍵能力的培養(yǎng)、學(xué)生核心素養(yǎng)的提升”就是“一紙空文”?；谏鲜鲈?，我們從兩個方面對物質(zhì)熔化與凝固的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，一是尋找合適的研究對象，二是改進(jìn)加熱裝置，為此，應(yīng)精心設(shè)計一個既能在較短時間內(nèi)順利完成的實(shí)驗(yàn)，又能讓學(xué)生充分觀察到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”就是在這樣的背景和思路下設(shè)計、制作完成的。

二、 “低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”的主體結(jié)構(gòu)

“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”（下文簡稱系統(tǒng)）主要有加熱、冷卻兩個裝置。系統(tǒng)分三個部分，一是底座，二是熱腔，三是冷腔。三部分均用亞克力材料制成，兩個腔室的正面為透明材料，便于學(xué)生觀察物體狀態(tài)的變化，同時嵌入溫度示數(shù)窗口。冷腔最低溫度可以達(dá)到-20 ℃，熱腔最高溫度可以達(dá)到100 ℃以上，采用溫度傳感器測溫，考慮到亞克力承受的溫度極限，實(shí)驗(yàn)時可按需調(diào)節(jié)。

（1）熱腔加熱與冷腔降溫的原理：當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷、熱端，再通過電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)控溫。

（2）熔化和凝固的研究對象由裝置上方的置物口放入冷、熱兩腔室中，如圖1所示。置物口的蓋板上留有小孔，測量研究對象溫度變化的傳感器或普通溫度計由小孔插入。裝置側(cè)面固定的溫度顯示器是用來顯示腔室內(nèi)環(huán)境溫度的，通過調(diào)節(jié)電流的強(qiáng)弱，就可以改變腔室中溫度變化的速率和腔室內(nèi)的最終溫度。

（3）與水浴加熱、自然冷卻比較，該系統(tǒng)的優(yōu)勢是：工作中無流動性液體，可靠性高。特別是該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，開機(jī)即可達(dá)到設(shè)定溫度，再通過調(diào)節(jié)工作電流的大小，就可以方便地調(diào)節(jié)加熱和制冷的速率。

三、晶體熔化和凝固實(shí)驗(yàn)研究對象的選擇

萘、海波和冰都是熱的不良導(dǎo)體，觀察它們?nèi)刍瘯r，需要不停地攪拌，以保證受熱均勻。但是，在它們凝固時，就很難做到液面與液內(nèi)溫度一致、已經(jīng)凝固的晶體與液體溫度一致。因此，我們聚焦在低熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性好的材料上，以尋找安全、合適的研究對象。從創(chuàng)新的角度出發(fā)，選用新的物質(zhì)作為研究對象，取得了成功。我們選取的研究對象是金屬鎵。

鎵是灰藍(lán)色或銀白色的金屬。熔點(diǎn)很低，沸點(diǎn)很高，在空氣中很穩(wěn)定。鎵的熔點(diǎn)只有39.76 ℃左右，而沸點(diǎn)可高達(dá)2403 ℃。鎵的熔點(diǎn)和環(huán)境溫度（如蘇州地區(qū)春夏溫度）接近，利用金屬鎵進(jìn)行熔化或凝固實(shí)驗(yàn)十分簡單，實(shí)驗(yàn)時，可以先觀察鎵在冷腔中凝固，后觀察在熱腔中熔化。

四、非晶體熔化和凝固研究對象的選擇

觀察非晶體熔化與凝固的實(shí)驗(yàn)，教材上使用石蠟。石蠟受熱熔化快，降溫凝固慢，而且容器壁粘上蠟漬后，清洗比較麻煩。建議采用動物油脂，比如豬油、雞油、牛油等。

五、“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”的操作

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：先將兩個裝有金屬鎵的試管分別放在“物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”的冷、熱兩個腔室中。打開系統(tǒng)開關(guān)，接通電源，這時冷腔內(nèi)溫度下降，其中的金屬鎵呈固態(tài)。熱腔內(nèi)溫度升高，其中的金屬鎵呈液態(tài)。

（2）實(shí)驗(yàn)觀察：電源接通、電流強(qiáng)弱不變，將冷、熱腔中的固態(tài)鎵和液態(tài)鎵迅速對調(diào)腔室。從置物口蓋板的小孔中插入溫度計，指導(dǎo)學(xué)生觀察兩個腔室中鎵的狀態(tài)變化。如果用溫度傳感器測溫，還可以邊人工記錄溫度值，邊由傳感器傳給電腦，實(shí)時生成物體溫度隨時間變化的曲線。我們就能左右兩邊同時看到金屬鎵的熔化和凝固的現(xiàn)象。

（3）重復(fù)實(shí)驗(yàn)：改變電流強(qiáng)弱，即適當(dāng)改變腔室的環(huán)境溫度，再對調(diào)冷、熱腔室中不同狀態(tài)的鎵，重復(fù)實(shí)驗(yàn)?！暗腿埸c(diǎn)物質(zhì)的熔化和凝固系統(tǒng)”的優(yōu)勢在于短時間內(nèi)可以反復(fù)做多次實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生有更多的體驗(yàn)。

（4）觀察非晶體熔化與凝固的實(shí)驗(yàn)：把裝有動物油脂的兩個試管分別放在“物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”的冷、熱兩個腔室中，操作步驟完全與觀察晶體熔化與凝固的實(shí)驗(yàn)一致?？梢酝ㄟ^對調(diào)冷、熱腔室中的油脂重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

這套教具的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)方式的改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)效果更好、可靠性增強(qiáng)，而且可以多次重復(fù)操作。

六、“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”在教學(xué)中運(yùn)用的意義

目前，在課堂中使用過這套“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”的教師和觀摩過這套系統(tǒng)運(yùn)用的專家一致認(rèn)為：

（1）“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”克服了教材實(shí)驗(yàn)的不足。這套裝置的研發(fā)成功及應(yīng)用能滿足現(xiàn)有初中物理“觀察物質(zhì)熔化與凝固”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，晶體熔化與凝固的特征呈現(xiàn)清晰，教學(xué)效果好。同時，這套裝置對日后熱學(xué)知識的學(xué)習(xí)、能量轉(zhuǎn)換的學(xué)習(xí)都有積極的作用。

（2）“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了“以人為本”的教育思想。這套裝置的研發(fā)成功及應(yīng)用把原本操作復(fù)雜、可靠性不高的演示實(shí)驗(yàn)變成操作簡單、可靠性極高的分組動手實(shí)驗(yàn)，讓更多的學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的全過程，使得物理學(xué)科的特征在課堂教學(xué)中能得到淋漓盡致地表現(xiàn)。

（3）“低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化和凝固系統(tǒng)”體現(xiàn)了物理教師的睿智。這套裝置的研發(fā)成功及應(yīng)用是基于物理教師對課堂實(shí)踐問題的思考，是運(yùn)用自己學(xué)科知識與技能，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行創(chuàng)新的結(jié)果。教具、學(xué)具的創(chuàng)新發(fā)明能力和實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化能力永遠(yuǎn)是物理教師的學(xué)科素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)的重要組成部分。

（責(zé)任編輯 易志毅）