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(shí)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(huì)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(huì)吸熱或放熱但都能保持溫度不變的特點(diǎn)。

（二）教材對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的處理

為了突破“晶體熔化時(shí)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(shí)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(shí)也有確定的溫度，這個(gè)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(shí)溫度隨時(shí)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(shí)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(gè)：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(huì)加長實(shí)驗(yàn)時(shí)間，過熱會(huì)導(dǎo)致海波熔化的時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)溫度也是不變的，同種晶體的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)相同這個(gè)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(shí)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(shí)的溫度不變的特點(diǎn)，認(rèn)識發(fā)生物態(tài)變化時(shí)溫度隨時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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?！北疚奶岬降陌雽?dǎo)體制冰機(jī)可以隨時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)開始計(jì)時(shí)。

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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)溫度隨時(shí)間變化圖象線如圖8所示，冰熔化時(shí)溫度溫度隨時(shí)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(shí)間較長，所以描繪出的溫度隨時(shí)間變化圖像很理想，突破冰水混合時(shí)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。