“升華和凝華”實驗教學的研究

車國華

【研究背景】

滬科粵教2012年第1版義務教育教科書《物理》八年級上冊第四章第四節 “升華和凝華”雖然不是重點內容，但日常生活中關于升華和凝華的實例比較豐富，有利于激發學生的學習興趣和培養學生分析問題的能力.但教學中存在以下幾個問題.

一是開篇展示的四幅圖片所描述的日常生活現象及課文結束介紹的人工降雨，對于當地學生來說都是沒見過或不太熟悉的，尤其是干冰，當地市場無法購買，也不易保存.

二是“碘升華凝華”實驗存在不足或不科學之處：（1）氣密性不好，而碘單質的腐蝕性很強，碘蒸氣會對呼吸道產生強烈刺激甚至損害;（2）加熱溫度難以控制.碘的熔點和沸點都在200 ℃以下，遠遠低于酒精燈火焰溫度，實驗中極易出現固態碘先發生熔化，接著液態碘再迅速發生汽化，而不是升華過程;（3）碘的清洗成本高不易回收、器材難以反復利用.

三是“升華吸熱，凝華放熱”規律是直接告訴學生的，不符合課程的教學理念，剝奪了學生的探究體驗權，不符合學生的認知規律.

【教學實踐】

一、演示實驗：現場制作干冰，再現舞臺“煙霧”

目的： 激發學生直接興趣，引入課題.

器材：二氧化碳滅火器（先用厚的長襪子包好瓶身，不讓學生認出，最后揭秘），厚布袋（或剪一個舊棉衣袖筒），碗一只，熱水等.

實驗操作：先倒上大半碗熱水，再將厚布袋套住二氧化碳滅火器的噴嘴，拔出保險銷，按壓把四五次，制取適量干冰（先對學生講是白色固體），給每個小組分發少量，置于桌面讓學生觀察（為后面建立升華概念作鋪墊），將剩余部分倒入碗中，看到翻滾的白色“煙霧”.

講解：這位神秘嘉賓是誰？用它產生的白色固體是什么？白色固體能制造“煙霧”的奧秘又是什么呢？大家想知道嗎？這就是本節課我們要探討的內容.

二、演示實驗：觀察“白氣”

目的：理解液態二氧化碳的致冷原理，為“模擬冰窗花”實驗作鋪墊.

器材：汽車降溫劑.

講解：舞臺上的“煙霧”實際上是“白氣”.我們用別的方法也能制造“白氣”.

實驗操作：用汽車降溫劑（先說明是無毒的）在空中噴一下，產生大量的“白氣”.

提問：“白氣”是什么呢？它是怎樣產生的呢？

學生分析：“白氣”是空氣中的水蒸氣液化成小水滴飄浮在空中形成的霧.

提問：水蒸氣液化要放熱，說明降溫劑能吸收熱量，能起到迅速降溫的作用.汽車降溫劑的主要成份是液態的二氧化碳.那么，它是怎樣起到降溫作用的呢？

學生分析：液態的二氧化碳迅速汽化，在瞬間吸收大量的熱，起到急劇降溫的效果.

三、演示實驗：模擬冰窗花

目的：觀察水蒸氣沒有經過液態直接變成冰，為建立凝華概念作鋪墊.

器材：汽車降溫劑.

實驗操作：先讓學生觀察平面鏡正面和背面（將塑料底板中心剪掉一部分），再一手將平面鏡水平持住，另一手用汽車降溫劑對準背面噴五六次，噴霧時噴嘴距鏡子約6 cm.

現象：原本干燥清晰的鏡面模糊不清了（圖3）.

講解：是產生了水附在上面嗎？用手摸一摸，是干的還是濕的？

演示：用塑料卡片刮一下，能刮起象雪一樣的東西，鏡面上留有刮痕.

學生分析：附在鏡面上的是固態的冰.這個實驗說明了水蒸氣可以直接變成固態的小冰晶.

四、分組實驗：人工造霜

目的：觀察水蒸氣變成霜，為建立凝華概念作鋪墊.

器材：易拉罐（去蓋），小冰塊，食鹽.

實驗操作：教師準備好小冰塊和食鹽，在上課前三分鐘，布置各小組組長在干燥的易拉罐中裝入大半筒的冰，再灑上兩勺鹽，輕輕搖幾下，靜置觀察.待分析完“模擬冰窗花”實驗之后再來分析.

講解：冰和鹽的混合物也是一種降溫劑，它的溫度最低可以達到零下20多攝氏度.現在請大家觀察桌上的易拉罐外表面出現了什么？（學生能知道是霜）

學生分析：霜和冰的特征有明顯不同，霜是由微小的冰晶附在物體表面形成的.易拉罐表面開始并沒有水，加入冰和鹽后，易拉罐溫度急劇降低，霜是由周圍的水蒸氣遇到冷的易拉罐形成的.

提問：這個實驗說明了什么呢？

學生分析：氣態的水蒸氣可以直接變成固態的小冰晶.

五、分組實驗：觀察干冰升華

目的：為建立升華概念作鋪墊.

器材：干冰.

講解：剛才分發給大家的白色固體現在還有嗎？

學生分析：沒有了（或只剩下很少了），白色固體并沒有熔化變成液體.

提問：這說明了什么？

學生分析：白色固體直接變成了氣體跑到空氣中了.

六、分組實驗：觀察碘的升華

目的：加深對升華現象的理解.

器材：碘升華凝華密封管，不銹鋼碗，熱水等.

講解：其他物質是否也可以發生升華呢？各小組桌上有一個密封的玻璃管，玻璃管是透明的，管壁清晰、干燥，管內裝有顆粒狀的碘晶體，想要觀察到碘是否能發生明顯的升華要怎么辦呢？

學生：用酒精燈加熱.

講解：碘的熔點是113 ℃，沸點是184 ℃，而酒精燈加熱的溫度遠遠高于碘的熔點和沸點，如果用酒精燈加熱會出現什么情況？

學生：碘顆粒不斷吸熱，當溫度達到熔點時就會熔化變成液體，并繼續吸熱最后發生沸騰變成氣體.

引導學生設計實驗：應該用溫度適宜的熱源對碘進行加熱.

操作：用手持住玻璃管的手柄，將管身泡在熱水中進行加熱（水浴法），觀察碘顆粒變小，管內產生紫色的碘蒸氣.

七、分組實驗：觀察碘蒸氣的凝華

目的：加深對凝華現象的理解.

器材：碘升華凝華密封管.

操作：從熱水中取出玻璃管，讓管身豎直，用毛巾擦干外面的水，觀察碘蒸氣顏色逐漸變淡，最后恢復透明，管內壁上附有粉末狀的碘晶體.

八、演示實驗：升華吸熱，凝華放熱

目的：經歷實驗探究，得出升華吸熱和凝華放熱的規律.

器材：鐵架臺及附件兩套，半封閉式電爐，錐形瓶，單質碘，數顯溫度計等.

提問：前面我們學習過的四種物態變化過程都有吸熱或放熱的條件，那么升華和凝華的吸放熱情況是怎樣的呢？

學生分析：在實驗中我們對玻璃管加熱，碘就吸收了熱量，才發生了明顯的升華現象，所以升華要吸熱;停止加熱后，玻璃管開始冷卻，碘蒸氣溫度下降，放出熱量，看到碘蒸氣逐漸凝華變成碘晶體，所以凝華要放熱.

講解：同學們的分析很有道理.今天老師給大家準備了一個實驗，雖然不是十分嚴密，但還是能直觀地說明升華和凝華的吸熱、放熱規律.

操作：將兩只相同的錐形瓶置于電爐中央上方相同的適當高度處，其中一只加入一藥匙的碘顆粒，另一只不加，用橡膠塞蓋好，各插入一支數顯溫度計測量瓶內溫度，溫度計規格相同，保證探頭高度相同.打開電爐電源加熱三分鐘，再關閉電爐，停止加熱并將電爐移開（圖5）.將觀察到的現象記錄在表1中.

學生分析：加熱時兩只瓶吸收的熱量基本相同，瓶內溫度上升快慢不同，碘瓶內部溫度上升明顯更慢，而且看到碘晶體升華變為紫色的碘蒸氣，說明碘升華要吸熱;停止加熱后，瓶子對外界放熱，觀察到碘蒸氣逐漸減少，凝華成碘晶體，碘瓶內溫度下降，說明碘凝華要放熱.

九、演示實驗：燈泡變黑

目的：在實驗條件下，短時間內看到燈泡變黑，幫助學生運用所學知識來解釋生活中的現象.

器材：無級調壓器;“6 V 10 W”機床用小燈泡兩只（不能用新型鹵素燈泡），玻璃板（包一層汽車貼膜），萬用表，燈座，導線，鐵架臺.

提問：請大家看看日光燈用久了會有什么現象？（燈管兩端變黑）與此類似的還有什么？（白熾燈泡）

引導學生分析：白熾燈泡、日光燈管用久了會發黑，說明鎢絲發生了升華和凝華.燈泡工作時，燈絲溫度很高，有微量的鎢發生升華變為鎢蒸氣;燈泡停止工作時，鎢蒸氣溫度急劇降低，凝華變為鎢晶體粉末附著在玻璃泡的內壁上，長時間以后燈泡就變黑了.

講解：這種現象要經過比較長的時間才能看得出來，但在實驗條件控制下可以在短時間內實現，大家想看嗎？

操作：取新的“6 V 10 W”小燈泡兩只，用無級調壓器對其中任一只供電，將電壓從零逐漸調到13 V后，持續通電約60秒，再將電壓調回零（如圖6所示），讓學生看到燈絲并沒有熔斷，再與另一只進行對比，觀察其是否變黑.觀察過程中將玻璃板擋在燈泡前，避免刺眼.