利用可在手掌中熔化的金屬鎵改進(jìn)“觀察冰的熔化過程”實(shí)驗(yàn)

陳旭東 吳利文

(浙江省寧波市孔浦中學(xué),浙江 寧波 315021)

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利用可在手掌中熔化的金屬鎵改進(jìn)“觀察冰的熔化過程”實(shí)驗(yàn)

陳旭東 吳利文

(浙江省寧波市孔浦中學(xué),浙江 寧波 315021)

知識(shí)來源于生活，知識(shí)也來源于實(shí)驗(yàn).通過學(xué)生的動(dòng)手操作，再結(jié)合觀察與思考，把抽象的理論知識(shí)內(nèi)化為淺顯的知識(shí)，易于接受，是我們教學(xué)的一種理想化方式.在初中階段要在學(xué)生頭腦中建立起“晶體的熔化過程是溫度始終保持不變，但需要不斷吸熱”這一規(guī)律，那么觀察晶體的熔化過程這一實(shí)驗(yàn)將是至關(guān)重要的，但實(shí)際上卻因?yàn)樵瓕?shí)驗(yàn)方案操作不易，成功率低，現(xiàn)象不明顯等原因，難以真正體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的作用，無法讓學(xué)生真正理解規(guī)律.筆者針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的不足進(jìn)行了創(chuàng)新：用金屬鎵作為熔化晶體；用溫度傳感器代替普通溫度計(jì)；用溫水加熱替代酒精燈加熱，從而實(shí)現(xiàn)裝置簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，真正達(dá)到此實(shí)驗(yàn)所希望的目的.

鎵;觀察冰的熔化過程;溫度傳感器;熔化的規(guī)律

在初中科學(xué)教材的華師大版七年級(jí)下冊(cè)第一章第二節(jié)《水的三態(tài)變化》中有一個(gè)實(shí)驗(yàn)，是觀察冰的熔化過程，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)三態(tài)變化規(guī)律,以及認(rèn)識(shí)晶體與非晶體區(qū)別的關(guān)鍵，不過此實(shí)驗(yàn)的成功率比較低，不少教師會(huì)作為演示實(shí)驗(yàn),但是總體效果不好,不少教師會(huì)采用播放視頻的方式進(jìn)行教學(xué).對(duì)此，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，主要從選擇材料、溫度測(cè)量工具、加熱方式等方面進(jìn)行，接下來我從以下幾個(gè)方面說明本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)過程.

一、實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

按照課標(biāo)要求，本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)有以下幾點(diǎn)：

1.會(huì)描述冰熔化過程的特點(diǎn).學(xué)會(huì)描繪冰的熔化曲線，會(huì)從冰的熔化曲線確定冰的熔點(diǎn).

2.知道熔化和凝固的特點(diǎn)，熔化和凝固過程中伴隨的能量變化.

3.了解晶體與非晶體的主要區(qū)別.

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的初衷

科學(xué)這一門學(xué)科，之所以會(huì)吸引學(xué)生，讓學(xué)生更感興趣，我覺得其中原因有：科學(xué)貼近生活，科學(xué)來源于生活，又能應(yīng)用于生活.而教學(xué)過程中的許多實(shí)驗(yàn)則更進(jìn)一步讓科學(xué)貼近學(xué)生，所以教學(xué)中一些實(shí)驗(yàn)的效果如何，現(xiàn)象是否明顯，在很大程度上決定了學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解與掌握，更能培養(yǎng)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于學(xué)生成績(jī)的提高時(shí)有很大幫助的.

上述教學(xué)目標(biāo)是要通過觀察冰的熔化過程這一實(shí)驗(yàn)來達(dá)到的，可實(shí)際情況，卻因?yàn)橛^察冰的熔化過程這一實(shí)驗(yàn)存在一些不足，哪怕是教材中之前曾經(jīng)采用過的材料海波(硫代硫酸鈉)、萘，都無法很好的實(shí)現(xiàn).不但學(xué)生不能親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，老師做演示實(shí)驗(yàn)，成功率也不高，不少老師干脆以課堂講解實(shí)驗(yàn)，播放視頻的方式進(jìn)行教學(xué).的確，對(duì)于程度好的學(xué)生，對(duì)于知識(shí)的記憶不是問題，但對(duì)于大多數(shù)同學(xué)，對(duì)于描述熔化的特點(diǎn)、曲線的意義、能量的變化等，不能真正掌握，畢竟：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行.

三、原實(shí)驗(yàn)過程的弊端

1.華師大版科學(xué)的現(xiàn)行教材中選用材料冰來完成活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)裝置是簡(jiǎn)單易行的，但操作上仍有不足.主要有以下幾點(diǎn)：

(1)前期準(zhǔn)備工作較復(fù)雜，所需時(shí)間較多，包括冰的制備、保存、破碎等工作，比較繁瑣；

(2)冰是熱的不良導(dǎo)體，加熱過程中會(huì)出現(xiàn)受熱不均，導(dǎo)致熔化時(shí)溫度難以保持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，不能真正體現(xiàn)出熔點(diǎn)，同時(shí)整個(gè)熔化過程所需時(shí)間過長(zhǎng).

(3)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)在0℃，用普通溫度計(jì)測(cè)量不方便.

(4)實(shí)驗(yàn)過程中需要不斷攪拌，需用酒精燈加熱，操作不便.

2、華師大版的科學(xué)教材中，以前也曾選用晶體萘、海波(硫代硫酸鈉)作為實(shí)驗(yàn)材料，不過現(xiàn)在已經(jīng)不再采用.

其中棄用萘的原因很簡(jiǎn)單,就一個(gè)字——“毒”.萘是一種易揮發(fā)、易升華的物質(zhì)，進(jìn)入人體后，會(huì)使肝、腎損害等，甚至致癌.

不再采用海波(硫代硫酸鈉)，其主要缺點(diǎn)有：

(1)海波(硫代硫酸鈉)具有較強(qiáng)的還原性，會(huì)和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以不能多次使用；

(2)海波(硫代硫酸鈉)是熱的不良導(dǎo)體，在實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)與試管外壁接觸部分的海波先熔化變?yōu)橐后w，溫度計(jì)的讀數(shù)會(huì)隨著加熱直線上升，而試管內(nèi)的中間固態(tài)部分還未熔化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗.

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的考慮因素及改進(jìn)說明

對(duì)于熔化實(shí)驗(yàn)的效果如何，我覺得需要考慮以下幾點(diǎn)：

1.所選擇的晶體熔點(diǎn)要適中，最好在20℃到60℃之間.

2.晶體的化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，最好無毒副作用.

3.整個(gè)熔化過程能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，現(xiàn)象要明顯，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確并容易記錄、所繪圖像清晰，能很好的體現(xiàn)熔化的特點(diǎn).

4.整個(gè)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、裝置、操作要比較簡(jiǎn)單，總的時(shí)間要短.

5.如果實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瑫r(shí)完成凝固的過程，效果會(huì)更好.

在這種情況下，筆者選用了一種新的材料——金屬鎵，來完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng).如果在上課時(shí)告訴同學(xué)們有一種金屬是可以在你的手掌中熔化成液態(tài)，這必將極大地引起同學(xué)們的興趣.

介紹一下金屬鎵：鎵是一種灰藍(lán)色或銀白色的金屬，導(dǎo)熱性能好，熔點(diǎn)較低，只有29.78℃.在空氣中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不會(huì)與氧氣反應(yīng).只通過腸道有微量的吸收，對(duì)人體基本沒有傷害.

為了更準(zhǔn)確的測(cè)量熔化時(shí)的溫度，筆者采用溫度傳感器和外接數(shù)據(jù)顯示模塊：能代替普通溫度計(jì)直接測(cè)量物體的溫度，并顯示數(shù)字，讀數(shù)方便，精確度更高.如果有專用的電腦軟件，實(shí)驗(yàn)中能將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成圖像，則效果更加明顯.

用金屬鎵來完成熔化實(shí)驗(yàn)，并利用溫度傳感器、電腦軟件輔助，整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作非常簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，熔化過程清晰，圖像準(zhǔn)確，有助于規(guī)律總結(jié)與理解，教學(xué)效果非常好.

五、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的裝置

學(xué)生活動(dòng)裝置：

一支普通溫度計(jì)、一支溫度傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊、裝有金屬鎵的塑料試管、秒表、一杯約200mL的熱水即可.

教師的演示實(shí)驗(yàn)：

將溫度傳感器與電腦軟件相連，在電腦中就可以實(shí)時(shí)形成曲線，并能記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，分析方便.

實(shí)驗(yàn)操作步驟與改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

1.操作步驟

(1)將50℃的溫水約200mL倒入燒杯中.

(2)把已經(jīng)準(zhǔn)備好的裝有鎵的塑料小試管放入溫水中，并固定在鐵架臺(tái)上.

(3)每隔30秒讀取溫度，進(jìn)行記錄，等溫度上升至35℃時(shí)，撤去溫水，可繼續(xù)記錄降溫的過程.

(4)完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在坐標(biāo)紙上進(jìn)行描點(diǎn)連成光滑的曲線.

(5)歸納總結(jié)，得出晶體熔化的規(guī)律.

以下是實(shí)驗(yàn)所得圖像.

2.實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)裝置非常簡(jiǎn)單，操作也很簡(jiǎn)單，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中也無需攪拌.

(2)加熱過程用溫水代替酒精燈，不產(chǎn)生廢氣，更加環(huán)保.

(3)材料易得，用量少，一般10克鎵就可以，還可反復(fù)使用多次.

(4)活動(dòng)中熔化現(xiàn)象明顯，學(xué)生能明顯的觀察到鎵在熔化過程中出現(xiàn)的固液共存狀態(tài)，以及繼續(xù)吸熱，但是溫度保持不變的特點(diǎn).

(5)實(shí)驗(yàn)時(shí)間大大縮短，從原實(shí)驗(yàn)的20分鐘，能縮短至一般7分鐘內(nèi)即可完成，并且不受季節(jié)限制.

(6)利用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,所得圖像與理想曲線接近.

從實(shí)際教學(xué)過程中，也很好的體現(xiàn)了本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，改成學(xué)生實(shí)驗(yàn)后，每一位同學(xué)都能親手操作，而且熔化現(xiàn)象明顯，能讓學(xué)生得出熔化的規(guī)律，印象深刻，真正做到知識(shí)的內(nèi)化與吸收，總體教學(xué)效果相當(dāng)?shù)暮?

六、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的思考

筆者在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的過程中也遇到的一些情況，要與讀者分享：

1.在本人多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，金屬鎵在熔化后，不能在短時(shí)間內(nèi)凝固，一般超過半小時(shí)，所以針對(duì)平行班級(jí)要多預(yù)備一些.同時(shí)，也需要繼續(xù)探究能在短時(shí)間內(nèi)讓鎵凝固的方式.

2.購(gòu)買到的鎵儲(chǔ)存在玻璃容器內(nèi),但是鎵有浸潤(rùn)玻璃的特性,同時(shí)又因?yàn)榻饘冁壴谀虝r(shí)會(huì)膨脹，膨脹率高達(dá)3.2%，會(huì)脹破玻璃容器，所以需要將金屬鎵及時(shí)保存到塑料試管內(nèi)備用.后來找來醫(yī)用的塑料試管作為容器，效果不錯(cuò).

3.對(duì)于加熱方式的選擇，用溫水代替常規(guī)的酒精燈加熱，操作簡(jiǎn)單，也環(huán)保，整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間也縮短，當(dāng)然，如果想要金屬鎵的升溫階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)，更加明顯一些，采用酒精燈加熱的水浴法可以進(jìn)行緩慢加熱.

[1]陳建峰.冰熔化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的嘗試[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)(教師教育)，2016(04).

[2]李永春.晶體熔化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備,2009(01).

[責(zé)任編輯：季春陽]

2017-05-01

陳旭東(1979.10-)，男，漢族，浙江省奉化市人，中學(xué)一級(jí)，本科，從事晶體熔化研究.

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1008-0333(2017)16-0092-03