晶體熔化和凝固實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

任俊仙

（太原師范學(xué)院 物理系，山西 太原030031）

1 引 言

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程中的過冷現(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)．

2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

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探究晶體的熔化和凝固實(shí)驗(yàn)，效果很好．

2．1 實(shí)驗(yàn)原理

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)的玻璃泡與被測物接觸時(shí)，玻璃泡內(nèi)的工作物質(zhì)與被測物發(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)間而被測物的溫度又是持續(xù)上升的，二者之間一直沒有達(dá)到熱平衡．也就是說溫度計(jì)的讀數(shù)是工作物質(zhì)本身的溫度，不是當(dāng)時(shí)被測物的即時(shí)溫度．

2．2 實(shí)驗(yàn)方法

間歇式加熱的方法，即每次加熱0．5 min后撤去火焰，觀測溫度計(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．

2．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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 熔化過程溫度隨時(shí)間的變化

表2 凝固過程溫度隨時(shí)間的變化

圖1 海波溶化凝固曲線圖

2．4 結(jié)果分析

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，溫度計(jì)與被測物質(zhì)達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間．

3 結(jié)束語

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．

［1］ 劉科．萘的熔化和凝固實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（3）：23－24．

［2］ 易其順．從物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程看物理實(shí)驗(yàn)研究［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（2）：14－18．

［3］ 況朝暉．海波熔化和凝固實(shí)驗(yàn)的探索及思考［J］．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2009，29（4）：30－31．

［4］ 于斌．傳感器在固體熔化實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（5）：18－19．