冰熔化實驗改進的嘗試

陳建峰

摘要：冰熔化實驗學生很難做好，主要問題是：一是把水放入電冰箱中可以制得塊狀固態冰，但溫度計的液泡難以插入;二是秋季外界氣溫仍較高，學生無法觀察冰熔化前吸熱升溫但保持固態不變的過程。而食鹽水凝固點低于0℃，用它來儲存冰，可以達到我們的目的。

關鍵詞：冰熔化;食鹽水;凝固點

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1992-7711（2016）04-080-1

物理學是以實驗為基礎的學科，實驗是檢驗物理理論的標準。在學生建立完整的物理概念和導出正確物理規律的課堂教學中，實驗是最活躍最具生命力的部分。實驗能化抽象為具體，化枯燥為生動，簡便明晰的實驗能引導學生觀察，并進行思考，對學生掌握知識、培養能力和學習科學方法有舉足輕重的地位。如果在教學中教師能結合身邊的、學生熟悉的物體來改進書本上的實驗，就更能刺激學生的感觀，使思維活躍起來;學生正確的掌握概念，加深對物理規律的認識，加強對知識的理解和記憶。

在蘇科版8年級（上冊）初二物理課本中，第二章第三節《熔化和凝固》一節中，通過讓學生完成“冰和燭蠟的熔化”實驗探究活動總結得出晶體與非晶體不同的熔化特點。該實驗如果按照課本所示方案進行操作，即把碎冰和碾碎的燭蠟分別放入試管中，在冰塊和松香中插入溫度計，記下它們的初始溫度，然后用水浴法對它們進行加熱觀察其溫度與狀態變化情況。在教學實踐中我們發現，對于探究燭蠟的熔化特點，學生一般能順利完成，得出正確的結論：非晶體沒有一定的熔化溫度。但冰的熔化實驗，學生則很難做好。出現的問題是：一、把水放入電冰箱中可以制得塊狀固態冰，但溫度計的液泡難以插入。二、學生難以觀察到冰在熔化前吸熱升溫但狀態保持不變這一物理過程，原因是秋季外界氣溫仍然很高，教師必須當堂把冰箱中取出的冰塊逐份分發給每組學生，讓學生迅速安裝好實驗裝置開始實驗。雖然這樣處理，但此時冰的溫度仍然不斷升高，達到-2℃到-1℃已經快接近0℃，有的甚至已經開始熔化了。三、用酒精燈加熱學生很難控制火候，在熔化過程，燒杯中的冰塊尚未全部熔化，而此時冰水混合物溫度并不保持在0℃不變，其溫度已達到4℃～5℃，由于實驗誤差較大，學生對晶體的熔化特點就難以得出正確的結論，甚至會形成錯誤的概念。因為做好這個實驗的難度較大。為了突破這些難點，我查閱了大量的資料，并通過反復實驗，總結了一套較為可行、成功率較高的實驗方法，即用冰鹽水做速凍劑，優化實驗。

不同濃度的鹽水凝固點均低于0℃，鹽水的凝固點，比重，比熱等物理特性，隨鹽水的濃度變化而變化。鹽水溶液的凝固點隨著鹽的濃度增加而降低，一直降低到冰鹽合晶點，此點相當于全部溶液凍結成一塊整的冰鹽結晶體——冰鹽合晶時的溫度，此點是最低的冰點，濃度超過此點，反而使冰點上升。我做了實驗如下：

含鹽量越高，凝固點越低。相關公式為：T1-T2=kf*m。其中T1～T2為下降溫度數，kf為溶劑的摩爾凝固點下降常數等于1.86，m為鹽的質量摩爾濃度。

通過此實驗得出的結論就可以優化冰熔化實驗，具體做法如下：

第一步：制作冰鹽水

按比例配比鹽水，（1000g水和200g食鹽，凝固點大概是-13℃）放入水槽中，再把該裝置放入冰箱冷凍室，時間12小時左右，溫度是-21℃，冰鹽水已全部是固態。拿出放在室溫下，過15分鐘左右開始熔化，上層和周圍開始熔化。

第二步：制作冰

在試管是中放2～3g水，把帶有橡皮圈的溫度計放入水中，并調整橡皮圈使液泡在水中的深度稍稍低于水面且不能碰到試管的底和壁。每支試管被鐵絲網卡住，然后，把試管鐵絲網裝置豎直插入冰鹽水中進行冷凍，如右圖，使溫度計的液泡凍結在冰塊之中，冷凍好后即可把整個裝置儲存在電冰箱的冷凍室里。

第三步：實驗

上課前20分鐘，從冰箱冷凍室拿出整個裝置，15分鐘后鹽冰開始熔化。把各試管分發給學生，開始時，它們的溫度大約零下十幾攝氏度，狀態為固態。如右圖所示，因為試管中的冰的量都比較少，所以無須用酒精燈來加熱，只要利用周圍的空氣溫來進行加熱，或者用水浴法加熱，溫度開始逐漸上升，但狀態不變。用時4～5分鐘溫度從-13℃升到0℃，就會看到冰開始熔化了，試管中先是有少量的水出現，（溫度計盡量保持在冰內）但冰水混合物的溫度保持不變，只有當冰全部熔化后溫度才會逐漸升高。

該實驗經過我們改進之后，與原實驗方案相比其優點有：一、器材簡單，可以省去酒精燈、鐵架臺等一套繁雜的實驗裝置;二、教師課前無須花費很多的時間準備大量的碎冰;三、可反復使用提高實驗準備的效率;四、操作方便且可以保證很高的實驗成功率和利用率，極大地提高課堂教學效果。