“低熔點物質熔化和凝固系統”的研發及應用

姚仁及

[摘? ?要]為了做好初中物理中的一個難做實驗——“低熔點物質的熔化和凝固”實驗，更好地展示晶體、非晶體熔化和凝固的特征，有物理教師結合教學實踐研發了結構簡單、成本低廉的“低熔點物質熔化和凝固系統”。在具體實驗中，若能調整所用的材料，則可大大提高實驗教學效果。

[關鍵詞]初中物理;低熔點物質;熔化;凝固

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）32-0051-02

在初中物理教材中，學生觀察、探究物質的熔化與凝固一直是學習的重點。但是，不論過去用萘作為研究對象，還是現在用海波（硫代硫酸鈉）作為研究對象，普遍存在的問題是：要么加熱過猛，導致晶體熔化時間太短，學生很難看清熔化特征;要么加熱過緩，實驗時間過長，課堂教學失去合理的節奏感，不符合初中生的年齡特征，實驗效率低下。如何提高物質熔化與凝固實驗的效果呢？在具體實驗中，既要讓學生能夠觀察到晶體熔化、凝固的特征，又要能控制實驗時間和教學節奏，為此，教師只有在實驗優化、教具革新方面下功夫。

一、“低熔點物質熔化和凝固系統”設計的背景和實驗改進

目前，教材上提供的研究對象是海波和冰。以海波為研究對象，一般做法是利用水浴法加熱，起始溫度控制在35 ℃左右，實驗終止時液體溫度為60 ℃左右。水浴加熱時水量不能太多，水多了，加熱升溫慢，實驗時間就長。水量也不能太少，否則，加熱升溫太快，晶體熔化時間太短，學生不易觀察晶體熔化特征。對海波也要注意用量，取少了，一旦海波開始熔化，溫度計的液泡無法處于固態與液態混合物的中央，盡管海波熔化在持續，但是溫度計示數一路飆升，體現不出海波晶體的熔點特征。海波不宜取得太多，因為海波是熱的不良導體，實驗時要不停地攪拌。特別是在觀察海波凝固時，液態的海波首先在容器壁凝固析出，這就影響了熱交換，隨著時間的推移，容器中央的液態海波凝固速度會越來越慢。由于結晶析出的海波緊緊附著在容器壁上，根本無法攪拌。若用冰作為研究對象，熔化的特征很容易看到，但是在教室里難以把水凝固時的特征展示給學生。即使能展示，冰也是熱的不良導體，同樣會遇到類似海波凝固時出現的問題。

由于實驗存在瑕疵，所以很可能會使學生對課本上的結論產生懷疑，影響學生進行科學探究和學習科學知識的興趣。因為課堂中的科學探究和實驗過程用時太長，加之成功率難以保證，久而久之，教師也就放棄了實驗教學（這是物理教學過程中的常見現象），進而以講實驗代替做實驗。物理教學一旦放棄了動手實驗，“學科關鍵能力的培養、學生核心素養的提升”就是“一紙空文”。基于上述原因，我們從兩個方面對物質熔化與凝固的實驗進行優化和改進，一是尋找合適的研究對象，二是改進加熱裝置，為此，應精心設計一個既能在較短時間內順利完成的實驗，又能讓學生充分觀察到真實的實驗現象，從而幫助學生提高學習效率。“低熔點物質熔化和凝固系統”就是在這樣的背景和思路下設計、制作完成的。

二、 “低熔點物質熔化和凝固系統”的主體結構

“低熔點物質熔化和凝固系統”（下文簡稱系統）主要有加熱、冷卻兩個裝置。系統分三個部分，一是底座，二是熱腔，三是冷腔。三部分均用亞克力材料制成，兩個腔室的正面為透明材料，便于學生觀察物體狀態的變化，同時嵌入溫度示數窗口。冷腔最低溫度可以達到-20 ℃，熱腔最高溫度可以達到100 ℃以上，采用溫度傳感器測溫，考慮到亞克力承受的溫度極限，實驗時可按需調節。

（1）熱腔加熱與冷腔降溫的原理：當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷、熱端，再通過電流調節實現控溫。

（2）熔化和凝固的研究對象由裝置上方的置物口放入冷、熱兩腔室中，如圖1所示。置物口的蓋板上留有小孔，測量研究對象溫度變化的傳感器或普通溫度計由小孔插入。裝置側面固定的溫度顯示器是用來顯示腔室內環境溫度的，通過調節電流的強弱，就可以改變腔室中溫度變化的速率和腔室內的最終溫度。

（3）與水浴加熱、自然冷卻比較，該系統的優勢是：工作中無流動性液體，可靠性高。特別是該系統響應速度快，開機即可達到設定溫度，再通過調節工作電流的大小，就可以方便地調節加熱和制冷的速率。

三、晶體熔化和凝固實驗研究對象的選擇

萘、海波和冰都是熱的不良導體，觀察它們熔化時，需要不停地攪拌，以保證受熱均勻。但是，在它們凝固時，就很難做到液面與液內溫度一致、已經凝固的晶體與液體溫度一致。因此，我們聚焦在低熔點、導熱性好的材料上，以尋找安全、合適的研究對象。從創新的角度出發，選用新的物質作為研究對象，取得了成功。我們選取的研究對象是金屬鎵。

鎵是灰藍色或銀白色的金屬。熔點很低，沸點很高，在空氣中很穩定。鎵的熔點只有39.76 ℃左右，而沸點可高達2403 ℃。鎵的熔點和環境溫度（如蘇州地區春夏溫度）接近，利用金屬鎵進行熔化或凝固實驗十分簡單，實驗時，可以先觀察鎵在冷腔中凝固，后觀察在熱腔中熔化。

四、非晶體熔化和凝固研究對象的選擇

觀察非晶體熔化與凝固的實驗，教材上使用石蠟。石蠟受熱熔化快，降溫凝固慢，而且容器壁粘上蠟漬后，清洗比較麻煩。建議采用動物油脂，比如豬油、雞油、牛油等。

五、“低熔點物質熔化和凝固系統”的操作

（1）實驗準備：先將兩個裝有金屬鎵的試管分別放在“物質熔化和凝固系統”的冷、熱兩個腔室中。打開系統開關，接通電源，這時冷腔內溫度下降，其中的金屬鎵呈固態。熱腔內溫度升高，其中的金屬鎵呈液態。

（2）實驗觀察：電源接通、電流強弱不變，將冷、熱腔中的固態鎵和液態鎵迅速對調腔室。從置物口蓋板的小孔中插入溫度計，指導學生觀察兩個腔室中鎵的狀態變化。如果用溫度傳感器測溫，還可以邊人工記錄溫度值，邊由傳感器傳給電腦，實時生成物體溫度隨時間變化的曲線。我們就能左右兩邊同時看到金屬鎵的熔化和凝固的現象。

（3）重復實驗：改變電流強弱，即適當改變腔室的環境溫度，再對調冷、熱腔室中不同狀態的鎵，重復實驗。“低熔點物質的熔化和凝固系統”的優勢在于短時間內可以反復做多次實驗，讓學生有更多的體驗。

（4）觀察非晶體熔化與凝固的實驗：把裝有動物油脂的兩個試管分別放在“物質熔化和凝固系統”的冷、熱兩個腔室中，操作步驟完全與觀察晶體熔化與凝固的實驗一致。可以通過對調冷、熱腔室中的油脂重復實驗。

這套教具的研發和實驗方式的改進，使實驗效果更好、可靠性增強，而且可以多次重復操作。

六、“低熔點物質熔化和凝固系統”在教學中運用的意義

目前，在課堂中使用過這套“低熔點物質熔化和凝固系統”的教師和觀摩過這套系統運用的專家一致認為：

（1）“低熔點物質熔化和凝固系統”克服了教材實驗的不足。這套裝置的研發成功及應用能滿足現有初中物理“觀察物質熔化與凝固”的實驗教學要求，晶體熔化與凝固的特征呈現清晰，教學效果好。同時，這套裝置對日后熱學知識的學習、能量轉換的學習都有積極的作用。

（2）“低熔點物質熔化和凝固系統”實現了“以人為本”的教育思想。這套裝置的研發成功及應用把原本操作復雜、可靠性不高的演示實驗變成操作簡單、可靠性極高的分組動手實驗，讓更多的學生參與實驗的全過程，使得物理學科的特征在課堂教學中能得到淋漓盡致地表現。

（3）“低熔點物質熔化和凝固系統”體現了物理教師的睿智。這套裝置的研發成功及應用是基于物理教師對課堂實踐問題的思考，是運用自己學科知識與技能，結合現代技術手段進行創新的結果。教具、學具的創新發明能力和實驗的優化能力永遠是物理教師的學科素質和職業素養的重要組成部分。

（責任編輯 易志毅）