任俊仙
(太原師范學(xué)院 物理系,山西 太原030031)
晶體的熔化和凝固是中學(xué)物理中比較重要的探究實(shí)驗(yàn).但由于影響該實(shí)驗(yàn)的因素較多,又受到課堂時(shí)間的限制,所以實(shí)驗(yàn)常常失敗,失敗的主要原因是:因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)中采用的晶體是熱的不良導(dǎo)體,加熱過(guò)程中試管不同部位的晶體溫差較大.靠近試管壁的晶體已經(jīng)熔化,而試管中部的晶體其溫度還低于熔點(diǎn).若溫度計(jì)插在這個(gè)位置,當(dāng)然指示的溫度也低于熔點(diǎn).而一旦試管中的晶體開(kāi)始熔化,變成液態(tài)后,由于液態(tài)晶體產(chǎn)生了對(duì)流,熱傳遞的速率大大加強(qiáng),使得剩余的晶體很快就熔化,結(jié)果得不到理想的溫度保持不變的過(guò)程,也就很難得出晶體熔化時(shí)溫度保持不變的結(jié)論.另外,晶體純度不高,過(guò)冷現(xiàn)象等也是造成實(shí)驗(yàn)失敗的原因.
針對(duì)這些情況,很多物理教學(xué)工作者已做過(guò)大量探討,都在不斷的改進(jìn),已經(jīng)取得很大的進(jìn)步,主要的改進(jìn)如下:
1)為了便于控制晶體熱傳遞的速度,選用大的試管(裝晶體的量大并便于攪拌)和燒杯(水的熱容量大熱源較穩(wěn)定).
2)為了改善晶體的導(dǎo)熱狀況,必須充分?jǐn)嚢瑁市枰倪M(jìn)攪拌器.
3)為防止試管內(nèi)熱量的耗散和便于固定溫度計(jì)與攪拌器,試管口加封橡皮塞,塞上鉆2個(gè)孔,分別插溫度計(jì)和攪拌器,并選定適宜的測(cè)溫點(diǎn).
4)為了縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,做熔化和凝固實(shí)驗(yàn)時(shí)分別在燒杯中加入一定溫度的水.
5)為了克服海波在凝固過(guò)程中的過(guò)冷現(xiàn)象,可在凝固前(如海波溫度降到49℃)加入少許粉狀海波,以增加凝聚核,即能誘發(fā)結(jié)晶.
6)選用高純度的晶體做實(shí)驗(yàn).
在以上改進(jìn)措施的基礎(chǔ)上,筆者采用了間歇式加熱的方法來(lái)探究晶體的熔化和凝固實(shí)驗(yàn),效果很好.
間歇式加熱方法主要是根據(jù)分析溫度計(jì)的原理而得來(lái)的.液體溫度計(jì)是利用液體的熱脹冷縮原理工作的,當(dāng)溫度計(jì)的玻璃泡與被測(cè)物接觸時(shí),玻璃泡內(nèi)的工作物質(zhì)與被測(cè)物發(fā)生熱交換,工作物質(zhì)的溫度發(fā)生變化引起體積變化顯示溫度,當(dāng)二者之間達(dá)到熱平衡時(shí),溫度計(jì)的讀數(shù)等于被測(cè)物質(zhì)的溫度值,這時(shí)溫度的讀數(shù)才是正確的.在以上改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)中,由于與工作物質(zhì)的熱交換需要一定的時(shí)間而被測(cè)物的溫度又是持續(xù)上升的,二者之間一直沒(méi)有達(dá)到熱平衡.也就是說(shuō)溫度計(jì)的讀數(shù)是工作物質(zhì)本身的溫度,不是當(dāng)時(shí)被測(cè)物的即時(shí)溫度.
間歇式加熱的方法,即每次加熱0.5 min后撤去火焰,觀測(cè)溫度計(jì)讀數(shù),直到溫度計(jì)穩(wěn)定后,讀出結(jié)果.如此繼續(xù)進(jìn)行下去,直到晶體熔化可連續(xù)加熱,此時(shí)晶液溫度不再變化.溫度計(jì)內(nèi)的工作物質(zhì)與晶液始終保持熱平衡.這種間歇式加熱方法的特征是每次溫度計(jì)的讀數(shù)是溫度計(jì)的工作物質(zhì)與被測(cè)物達(dá)到熱平衡時(shí)的讀數(shù),即溫度計(jì)的讀數(shù)等于晶體的溫度值.
表1~2是分別用2種實(shí)驗(yàn)方法得到的海波的熔化和凝固實(shí)驗(yàn)的溫度隨時(shí)間的變化結(jié)果,其中t為加熱時(shí)間,θ連為連續(xù)式加熱溫度,θ間為間歇式加熱溫度,θ為海波的溫度.海波熔化和凝固曲線如圖1所示.
表1 熔化過(guò)程溫度隨時(shí)間的變化
表2 凝固過(guò)程溫度隨時(shí)間的變化
圖1 海波溶化凝固曲線圖
由以上結(jié)果可以看出:連續(xù)式加熱使晶體熔化了,但溫度計(jì)讀數(shù)還沒(méi)達(dá)到熔點(diǎn),而間歇式加熱時(shí),溫度達(dá)到熔點(diǎn)(48℃)時(shí),海波熔化.還可以看到在熔化過(guò)程中,相應(yīng)時(shí)刻間歇式加熱得到的溫度值大于連續(xù)式加熱得到的溫度值.二者的差值是撤去火焰后溫度計(jì)繼續(xù)上升的溫度.可見(jiàn),溫度計(jì)與被測(cè)物質(zhì)達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間.
間歇式加熱的方法可以客觀地反映晶體熔化和凝固的規(guī)律,不僅實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度高,實(shí)驗(yàn)速度快,而且實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格低廉,取材方便.
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