看清“水結冰”

李志鵬

實驗原型及不足

關于水結冰的實驗，課程標準指出：學生需要觀察并描述一般情況下，當溫度降低到0 ℃時，水會結冰。教材中的實驗步驟是：先在試管里裝四分之一的清水，做好標記;然后放入盛有碎冰（加了食鹽）的燒杯中;接著在試管的水中插入一支溫度計，當試管中的水開始結冰時記錄溫度，完全結冰時記錄冰柱的高度。

在實際教學中，學生和教師都會遇到一些問題：

學生學的問題：結冰時間較長，往往無法在一節課上完成水結冰的實驗;實驗現象可視性差，無法觀察到水開始結冰的溫度;試管空間小，溫度計容易觸碰燒杯壁，致使無法準確測量試管中水的溫度。

教師教的問題：實驗需要準備大量的碎冰，耗時費力。

為此，筆者對該實驗進行深入思考與實踐，改進了實驗方法，改進思路如圖1。

實驗材料

飽和食鹽水、溫度計、溫度計固定器、試管固定器、燒杯、試管等。

其中，固定器是根據試管和溫度計的直徑分別建模，使用3D打印的教具，也可以采用泡沫（或者較硬的海綿）制作，裝置整體效果和部件圖如圖2。

實驗方法

1.將飽和食鹽水放入冰箱，調節冰箱制冷效果，使飽和食鹽水溫度達到-18 ℃左右，但不結冰。（飽和食鹽水的凝固點為-20 ℃左右，將冰箱的制冷效果調節至-18 ℃左右，這時飽和食鹽水會處于低溫液體狀態。）

2.在試管中裝入少量水，在試管外用綁橡皮筋的方式標出水面的位置。將溫度計插入試管中，使溫度計的液泡浸在水中，用溫度計固定器固定。

3.取出低溫飽和食鹽水，將試管浸入其中，用試管固定器固定。

4.透過低溫食鹽水觀察試管內水的結冰情況，并且將水開始結冰的溫度記錄下來。

5.待試管內的水全部結冰后，將試管取出，通過橡皮筋的位置對比觀察試管內水結冰前后的體積變化。

實驗優點

1.結冰過程可視化：學生透過低溫食鹽水，可以清楚地觀察到水結冰的過程，并及時記錄水開始結冰的溫度。

2.實驗材料準備輕松：改進后的實驗材料直接從冰箱取出就能投入教學，并且可以重復使用。

3.大幅度縮短水結冰的時間：飽和食鹽水的溫度將近-18 ℃，比碎冰加鹽的混合物的溫度更低;液體與試管間的空隙可以忽略不計，試管和低溫食鹽水充分接觸，使水結冰的時間縮短至5分鐘，提高了學習效率。