冰熔化與水凝固實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

馮 楠

（銀川市第十三中學(xué)，寧夏 銀川 750021）

自然界中的水有固、液、氣3種形態(tài)，水的物態(tài)變化是初中物理教學(xué)的重要研究課題.冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)需要在特定溫度條件開(kāi)展，難以在課堂中展現(xiàn).

本文提出2種方案，主要研究冰熔化和水凝固時(shí)的溫度變化情況.第1種采用冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)器與傳感器、計(jì)算機(jī)組合獲取實(shí)驗(yàn)圖像，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果.第2種采用冷凍鹽水、西林瓶、自來(lái)水、電子溫度計(jì)組合，觀察水凝固與冰熔化過(guò)程的物態(tài)變化并記錄實(shí)驗(yàn)溫度，繪制圖像，得出結(jié)論.

兩種方案均可將讓冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)帶入課堂，使學(xué)生體會(huì)物理學(xué)的魅力，同時(shí)在活動(dòng)中體驗(yàn)合作探究過(guò)程，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1 傳感器在冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

相比傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)器材，傳感器的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程“可視化”，數(shù)據(jù)采集“精準(zhǔn)化”，數(shù)據(jù)處理“智能化”，實(shí)驗(yàn)教學(xué)“數(shù)字化”.

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

如圖1所示，冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)器內(nèi)置溫度傳感器、風(fēng)扇、制冷片、冷凍艙.通電后水降溫凝固成冰，斷開(kāi)電源冰升溫熔化成水.采用數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程的溫度變化情況并繪制溫度-時(shí)間曲線.

圖1 水凝固和冰熔化實(shí)驗(yàn)器

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）如圖2所示，采用HDMI數(shù)據(jù)線連接冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)器、數(shù)據(jù)采集器，采用USB數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī).

圖2 儀器連接

（2）打開(kāi)軟件，自動(dòng)識(shí)別傳感器，選擇菜單欄“采集參數(shù)”.頻率設(shè)計(jì)為1點(diǎn)/s，“限定時(shí)間”選3 min，點(diǎn)擊“確定”.

（3）在冰熔化和水凝固實(shí)驗(yàn)器中加入幾滴純凈水（水位沒(méi)過(guò)溫度傳感器的感溫探頭）.

（4）點(diǎn)擊菜單欄“開(kāi)始”按鈕，接通電源，制冷片開(kāi)始工作，一段時(shí)間后肉眼可見(jiàn)水瞬間結(jié)冰.如圖5所示，數(shù)據(jù)樣本顯示在視窗左側(cè)，時(shí)間溫度曲線顯示在視窗右側(cè).

（5）觀察水凝固過(guò)程制冰腔中水的透明度與時(shí)間溫度曲線關(guān)系，當(dāng)溫度下降到零下某個(gè)值時(shí)，水完全凝固（如圖3、圖4所示）.

圖3 冰水混合物

圖4 水完全凝固成冰

（6）斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)器電源，溫度上升冰逐漸熔化，直至采集時(shí)間3 min完成為止.

如圖5所示的實(shí)驗(yàn)曲線，縱軸為溫度，橫軸為采樣時(shí)間.根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程物態(tài)不同，實(shí)驗(yàn)曲線可分為AC、DE、EG、GH、HI 5部分.其中AC段為液態(tài)水，DE段為冰水混合物，EG段為固態(tài)冰，GH段為冰水混合物，HI段為液態(tài)水.從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度第1次下降到0℃時(shí)（B點(diǎn)），水并未結(jié)冰，直至溫度下降到零下的一個(gè)溫度值時(shí)（C點(diǎn)），溫度迅速上升至0℃（CD段），溫度第2次回至0℃時(shí)，觀察到水立即凝固成冰（DE段），此時(shí)冰的溫度繼續(xù)下降（EF段）.斷開(kāi)實(shí)驗(yàn)器電源，制冷片停止工作，冰的溫度上升（FG段），到達(dá)零攝氏度（G點(diǎn)）時(shí)，冰開(kāi)始熔化，溫度保持在零攝氏度不再升高，（GH段）直至冰完全熔化為水，溫度再次升高（HI段）.

圖5 水凝固和冰熔化過(guò)程時(shí)間溫度曲線

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水的溫度降至0℃時(shí)未凝固，繼續(xù)降溫至－4.8℃時(shí)水仍未凝固.下一秒水溫回升至0℃時(shí)初始冰晶生成，結(jié)冰過(guò)程耗時(shí)4 s.物理學(xué)把液態(tài)物質(zhì)在溫度降低至凝固點(diǎn)而仍不發(fā)生凝固或結(jié)晶等相變的現(xiàn)象稱為過(guò)冷狀態(tài).

1.3 實(shí)驗(yàn)分析

（1）過(guò)冷現(xiàn)象.

問(wèn)題1：水凝固實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為什么水的溫度降至0℃時(shí)未凝固，繼續(xù)降溫至－4.8℃時(shí)仍未凝固？

從微觀的角度分析，液態(tài)的水分子介于有序與無(wú)序之間的狀態(tài)，冰塊中的水分子是有序排列的結(jié)構(gòu).當(dāng)水將要結(jié)成冰時(shí)，必需先有一些微小的冰晶做“核心”，水分子才容易圍繞這些核心不斷地排列起來(lái)，形成冰塊.在純凈水中，由于缺少冰核，故溫度降至0℃以下，水仍未凝固.

問(wèn)題2：為什么水凝固成冰的過(guò)程中溫度一直保持在0℃？

水凝固成冰的過(guò)程是液態(tài)水—冰水混合物—冰相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，該過(guò)程屬于放熱過(guò)程.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水不斷凝固放熱，冷凍艙不斷降溫吸熱，吸熱—放熱平衡，溫度保持不變直至水完全凝固成冰.攝氏溫標(biāo)把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度規(guī)定為0℃，因此水凝固成冰的過(guò)程中溫度一直保持在0℃.

問(wèn)題3：為什么冷凍艙中的水完全凝固成冰后溫度—時(shí)間曲線近似直線下降？

水完全凝固成冰后放熱過(guò)程終止，吸熱—放熱平衡被打破，受冷凍艙降溫作用的影響，冰的溫度—時(shí)間曲線近似直線下降.

問(wèn)題4：水為什么會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象，如何使過(guò)冷的水結(jié)成冰？

天然水中含有許多極其微小的懸浮物或者因冷卻過(guò)程緩慢，細(xì)小的冰晶很容易產(chǎn)生，結(jié)冰并不困難.如圖6、圖7所示，為水的微觀結(jié)構(gòu)圖和冰的微觀結(jié)構(gòu)圖，極純的水在快速冷卻時(shí)，不容易產(chǎn)生冰晶.雖然溫度已降至0℃以下，由于缺乏“晶核”，水分子不能有序排列凝固成冰晶，就出現(xiàn)了過(guò)冷現(xiàn)象.

圖6 水的微觀結(jié)構(gòu)圖

圖7 冰的微觀結(jié)構(gòu)圖

過(guò)冷水是極不穩(wěn)定的，只要給與輕微擾動(dòng)（例如振動(dòng)、輕微觸碰、加入顆粒物等），水就會(huì)立即凝固形成大塊冰晶.

（2）凝固點(diǎn)和熔點(diǎn).

① 凝固點(diǎn)：水在過(guò)冷現(xiàn)象完成之后，溫度變化經(jīng)歷了第一個(gè)平臺(tái)期（DE段），這說(shuō)明水在凝固過(guò)程中有一個(gè)固定的溫度，叫做凝固點(diǎn).水要達(dá)到凝固點(diǎn)時(shí)，要繼續(xù)降低環(huán)境溫度，水向外放熱才能凝固，這說(shuō)明水凝固成冰需要兩個(gè)條件，達(dá)到凝固點(diǎn)，持續(xù)放熱.

② 熔點(diǎn)：當(dāng)冰的溫度降低到－7℃時(shí)，斷開(kāi)演示器電源，冰的溫度持續(xù)上升，直至達(dá)到0℃，冰開(kāi)始熔化，此后，經(jīng)歷第2個(gè)平臺(tái)期（GH段），溫度不再上升，此時(shí)的狀態(tài)為固液共存態(tài)，這說(shuō)明冰在熔化過(guò)程中有一個(gè)固定的溫度，稱作熔點(diǎn).冰在熔化時(shí)需要兩個(gè)必備條件，達(dá)到熔點(diǎn)，繼續(xù)吸熱，但溫度不變.

1.4 實(shí)驗(yàn)拓展

為了更準(zhǔn)確地研究過(guò)冷現(xiàn)象，用非純凈水（在普通自來(lái)水中加入一滴藍(lán)墨水）重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)圖像如圖8所示.

如圖8所示，在AB段，水的溫度降低，溫度降低至B點(diǎn)時(shí)，略微回升，經(jīng)歷第1個(gè)平臺(tái)期（BC段），水開(kāi)始凝固，當(dāng)水完全凝固成冰，在制冷片的作用下，冰的溫度繼續(xù)降低.在BC段，發(fā)現(xiàn)只是略微的回升，得出非純凈水的過(guò)冷現(xiàn)象并不明顯.由于加入了一滴藍(lán)墨水，非純凈水的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)均略高于0℃.分析原因，在非純凈水中有許多微小的懸浮物，在溫度降低到凝固點(diǎn)時(shí)，容易形成冰核，冰分子以此為核心整齊地排列成有序結(jié)構(gòu).

圖8 非純凈水凝固和冰熔化溫度變化圖像

2 用電子溫度計(jì)研究水凝固和冰的熔化過(guò)程

在沒(méi)有傳感器的情況下，如何讓水凝固和冰熔化的實(shí)驗(yàn)走進(jìn)物理課堂，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的科學(xué)思維.下文用更簡(jiǎn)便的器材讓學(xué)生體驗(yàn)生活中的物理，學(xué)習(xí)感受生活處處有物理.

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

冰鹽水（在冰箱冷凍室放置一天）、小瓶清水、熱水、鐵架臺(tái)、數(shù)字溫度計(jì)、燒杯、計(jì)算機(jī).

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）純凈水凝固.

① 如圖9所示，組裝實(shí)驗(yàn)器材，手機(jī)實(shí)時(shí)記錄溫度隨時(shí)間的變化.在燒杯中倒入適量冰鹽水（溫度是－16.7℃）

圖9 非純凈水凝固成冰系列圖片

② 將裝有純凈水的小瓶放置于冰鹽水中，插入數(shù)字溫度計(jì)，打開(kāi)手機(jī)錄像，觀察溫度變化及水的狀態(tài).

根據(jù)錄像視頻，每隔10 s取溫度值，數(shù)據(jù)記錄如表1，在EXCLE中輸入數(shù)據(jù)，繪制溫度隨時(shí)間變化的曲線（如圖10所示）.

表1 純凈水凝固溫度變化圖像

圖10 純凈水凝固溫度變化圖像

從數(shù)據(jù)和圖像中均得出純凈水在凝固時(shí)，有過(guò)冷現(xiàn)象產(chǎn)生.純凈水的過(guò)冷溫度可達(dá)－5.2℃，輕微晃動(dòng)溫度計(jì)，水立即結(jié)冰，溫度迅速回到0℃，隨后溫度不變，直到水完全結(jié)冰，溫度再次下降.為了進(jìn)一步研究過(guò)冷現(xiàn)象是否是純凈水凝固所特有的現(xiàn)象，在純凈水中加入一滴藍(lán)墨水，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄如表2，繪制非純凈水凝固溫度變化圖像如圖11.

圖11 非純凈水凝固溫度變化圖像

表2 非純凈水凝固溫度變化圖像

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像可知，非純凈水在凝固時(shí)，過(guò)冷現(xiàn)象并不明顯，與方案一中用傳感器分析的數(shù)據(jù)一致.

5 結(jié)語(yǔ)

水凝固成冰和冰熔化成水的實(shí)驗(yàn)，解決水的凝固和冰的熔化所需的低溫環(huán)境的因素，方便、快捷的在課堂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)出各方面的優(yōu)勢(shì).

（1）提高課堂教學(xué)效率.

利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可在較短的時(shí)間完成水凝固和冰熔化的實(shí)驗(yàn)，提高課堂教學(xué)效率，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到學(xué)習(xí)效率的最大化.

（2）提高學(xué)生的合作探究能力.

通過(guò)小組合作、師生合作，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和自主性.改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師講，學(xué)生聽(tīng)，課堂氣氛沉悶，教學(xué)效果低下的局面，創(chuàng)設(shè)活動(dòng)，學(xué)生自主探究，組內(nèi)討論、組間交流，喚醒學(xué)生的主體意識(shí)，激活思維，使學(xué)生真正參與到課堂中，提高了學(xué)生的合作探究能力.

（3）理論聯(lián)系生活，體現(xiàn)物理與生活的聯(lián)系.

水結(jié)冰學(xué)生非常熟悉，但是水結(jié)冰的溫度變化，所需的條件及過(guò)冷現(xiàn)象的產(chǎn)生，學(xué)生比較陌生.將水結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)引入課堂，充分體驗(yàn)出物理與生活的聯(lián)系，從而培養(yǎng)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理，將物理應(yīng)用于生活的能力.