冰熔化與水凝固實驗設計與分析

馮 楠

（銀川市第十三中學，寧夏 銀川 750021）

自然界中的水有固、液、氣3種形態，水的物態變化是初中物理教學的重要研究課題.冰熔化和水凝固實驗需要在特定溫度條件開展，難以在課堂中展現.

本文提出2種方案，主要研究冰熔化和水凝固時的溫度變化情況.第1種采用冰熔化和水凝固實驗器與傳感器、計算機組合獲取實驗圖像，得出實驗結果.第2種采用冷凍鹽水、西林瓶、自來水、電子溫度計組合，觀察水凝固與冰熔化過程的物態變化并記錄實驗溫度，繪制圖像，得出結論.

兩種方案均可將讓冰熔化和水凝固實驗帶入課堂，使學生體會物理學的魅力，同時在活動中體驗合作探究過程，提升學生的科學素養.

1 傳感器在冰熔化和水凝固實驗中的應用

相比傳統的物理實驗器材，傳感器的應用可實現實驗過程“可視化”，數據采集“精準化”，數據處理“智能化”，實驗教學“數字化”.

1.1 實驗儀器簡介

如圖1所示，冰熔化和水凝固實驗器內置溫度傳感器、風扇、制冷片、冷凍艙.通電后水降溫凝固成冰，斷開電源冰升溫熔化成水.采用數據采集器連續采集實驗過程的溫度變化情況并繪制溫度-時間曲線.

圖1 水凝固和冰熔化實驗器

1.2 實驗過程

（1）如圖2所示，采用HDMI數據線連接冰熔化和水凝固實驗器、數據采集器，采用USB數據線連接數據采集器、計算機.

圖2 儀器連接

（2）打開軟件，自動識別傳感器，選擇菜單欄“采集參數”.頻率設計為1點/s，“限定時間”選3 min，點擊“確定”.

（3）在冰熔化和水凝固實驗器中加入幾滴純凈水（水位沒過溫度傳感器的感溫探頭）.

（4）點擊菜單欄“開始”按鈕，接通電源，制冷片開始工作，一段時間后肉眼可見水瞬間結冰.如圖5所示，數據樣本顯示在視窗左側，時間溫度曲線顯示在視窗右側.

（5）觀察水凝固過程制冰腔中水的透明度與時間溫度曲線關系，當溫度下降到零下某個值時，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）斷開實驗器電源，溫度上升冰逐漸熔化，直至采集時間3 min完成為止.

如圖5所示的實驗曲線，縱軸為溫度，橫軸為采樣時間.根據實驗過程物態不同，實驗曲線可分為AC、DE、EG、GH、HI 5部分.其中AC段為液態水，DE段為冰水混合物，EG段為固態冰，GH段為冰水混合物，HI段為液態水.從實驗中發現，當溫度第1次下降到0℃時（B點），水并未結冰，直至溫度下降到零下的一個溫度值時（C點），溫度迅速上升至0℃（CD段），溫度第2次回至0℃時，觀察到水立即凝固成冰（DE段），此時冰的溫度繼續下降（EF段）.斷開實驗器電源，制冷片停止工作，冰的溫度上升（FG段），到達零攝氏度（G點）時，冰開始熔化，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 水凝固和冰熔化過程時間溫度曲線

實驗過程中發現，水的溫度降至0℃時未凝固，繼續降溫至－4.8℃時水仍未凝固.下一秒水溫回升至0℃時初始冰晶生成，結冰過程耗時4 s.物理學把液態物質在溫度降低至凝固點而仍不發生凝固或結晶等相變的現象稱為過冷狀態.

1.3 實驗分析

（1）過冷現象.

問題1：水凝固實驗過程中，為什么水的溫度降至0℃時未凝固，繼續降溫至－4.8℃時仍未凝固？

從微觀的角度分析，液態的水分子介于有序與無序之間的狀態，冰塊中的水分子是有序排列的結構.當水將要結成冰時，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，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.

問題2：為什么水凝固成冰的過程中溫度一直保持在0℃？

水凝固成冰的過程是液態水—冰水混合物—冰相互轉化的過程，該過程屬于放熱過程.實驗過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.攝氏溫標把標準大氣壓下冰水混合物的溫度規定為0℃，因此水凝固成冰的過程中溫度一直保持在0℃.

問題3：為什么冷凍艙中的水完全凝固成冰后溫度—時間曲線近似直線下降？

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

問題4：水為什么會產生過冷現象，如何使過冷的水結成冰？

天然水中含有許多極其微小的懸浮物或者因冷卻過程緩慢，細小的冰晶很容易產生，結冰并不困難.如圖6、圖7所示，為水的微觀結構圖和冰的微觀結構圖，極純的水在快速冷卻時，不容易產生冰晶.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，就出現了過冷現象.

圖6 水的微觀結構圖

圖7 冰的微觀結構圖

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

（2）凝固點和熔點.

① 凝固點：水在過冷現象完成之后，溫度變化經歷了第一個平臺期（DE段），這說明水在凝固過程中有一個固定的溫度，叫做凝固點.水要達到凝固點時，要繼續降低環境溫度，水向外放熱才能凝固，這說明水凝固成冰需要兩個條件，達到凝固點，持續放熱.

② 熔點：當冰的溫度降低到－7℃時，斷開演示器電源，冰的溫度持續上升，直至達到0℃，冰開始熔化，此后，經歷第2個平臺期（GH段），溫度不再上升，此時的狀態為固液共存態，這說明冰在熔化過程中有一個固定的溫度，稱作熔點.冰在熔化時需要兩個必備條件，達到熔點，繼續吸熱，但溫度不變.

1.4 實驗拓展

為了更準確地研究過冷現象，用非純凈水（在普通自來水中加入一滴藍墨水）重復以上實驗，得出實驗圖像如圖8所示.

如圖8所示，在AB段，水的溫度降低，溫度降低至B點時，略微回升，經歷第1個平臺期（BC段），水開始凝固，當水完全凝固成冰，在制冷片的作用下，冰的溫度繼續降低.在BC段，發現只是略微的回升，得出非純凈水的過冷現象并不明顯.由于加入了一滴藍墨水，非純凈水的熔點和凝固點均略高于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時，容易形成冰核，冰分子以此為核心整齊地排列成有序結構.

圖8 非純凈水凝固和冰熔化溫度變化圖像

2 用電子溫度計研究水凝固和冰的熔化過程

在沒有傳感器的情況下，如何讓水凝固和冰熔化的實驗走進物理課堂，培養學生發現問題，解決問題的科學思維.下文用更簡便的器材讓學生體驗生活中的物理，學習感受生活處處有物理.

2.1 實驗器材

冰鹽水（在冰箱冷凍室放置一天）、小瓶清水、熱水、鐵架臺、數字溫度計、燒杯、計算機.

2.2 實驗過程

（1）純凈水凝固.

① 如圖9所示，組裝實驗器材，手機實時記錄溫度隨時間的變化.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，插入數字溫度計，打開手機錄像，觀察溫度變化及水的狀態.

根據錄像視頻，每隔10 s取溫度值，數據記錄如表1，在EXCLE中輸入數據，繪制溫度隨時間變化的曲線（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

從數據和圖像中均得出純凈水在凝固時，有過冷現象產生.純凈水的過冷溫度可達－5.2℃，輕微晃動溫度計，水立即結冰，溫度迅速回到0℃，隨后溫度不變，直到水完全結冰，溫度再次下降.為了進一步研究過冷現象是否是純凈水凝固所特有的現象，在純凈水中加入一滴藍墨水，重復以上實驗，數據記錄如表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

從實驗數據和圖像可知，非純凈水在凝固時，過冷現象并不明顯，與方案一中用傳感器分析的數據一致.

5 結語

水凝固成冰和冰熔化成水的實驗，解決水的凝固和冰的熔化所需的低溫環境的因素，方便、快捷的在課堂中進行實驗，展現出各方面的優勢.

（1）提高課堂教學效率.

利用傳感器進行實驗，可在較短的時間完成水凝固和冰熔化的實驗，提高課堂教學效率，使學生在有限的時間內，達到學習效率的最大化.

（2）提高學生的合作探究能力.

通過小組合作、師生合作，發揮學生的主動性和自主性.改變了傳統課堂教學中教師講，學生聽，課堂氣氛沉悶，教學效果低下的局面，創設活動，學生自主探究，組內討論、組間交流，喚醒學生的主體意識，激活思維，使學生真正參與到課堂中，提高了學生的合作探究能力.

（3）理論聯系生活，體現物理與生活的聯系.

水結冰學生非常熟悉，但是水結冰的溫度變化，所需的條件及過冷現象的產生，學生比較陌生.將水結冰的實驗引入課堂，充分體驗出物理與生活的聯系，從而培養學生從生活中發現物理，將物理應用于生活的能力.