用温度传感器改进冰的熔化和凝固实验

孙海祯

摘 要：用冰盐水制冰探究冰的凝固和熔化过程，采用温度传感器结合数据采集器来精确实时呈现冰凝固和熔化过程中温度随时间的变化关系。

关键词：晶体的熔化和凝固 自制冰盐水 温度传感器

中图分类号：G633 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）04（c）-0030-01

1 问题背景

物理学是一门以实验为基础的自然科学，实验是学习和研究物理学的重要手段。实验的探究过程是学习认识新规律的过程、是增强分析问题解决问题能力的过程。学生亲自动手探究并体验物理学家们如何通过探究获得物理概念和理论，经过长时间的训练和对过程的思考，能够培养学生主动发现问题，熟练地分析和解决问题，养成良好的思维习惯。物理实验对物理教学至关重要。

晶体的熔化和凝固实验是教科版八年级上第五章第二节的重要实验，有着举足轻重的地位。但是由于众多因素的影响，此实验一直是中学物理疑难实验之一，也是中学物理最难做成功的实验之一。

2 原实验存在的一些问题

（1）如果把水放在冰箱冷冻室中可以得到实验所需要的冰，但冰质地坚硬，温度计的玻璃泡不易插入。如果用矿泉水瓶装水放入冰箱冷冻，然后敲成碎冰，这个过程中冰的温度急剧上升，一般都已经接近0℃，甚至已经开始熔化，匆忙开始实验也难采集到0度以下数据。

（2）水银温度计灵敏度有限，实时性差，不能满足这个实验的要求。

（3）原实验只有熔化过程，无凝固过程的对比实验，无法让学生在操作过程中得到水熔点和凝固点相等的结论。对学生系统掌握知识不利。

（4）器材多，组装复杂，观测项目多，耗时长，常常是课前匆忙，课后拖堂，还常常失败。

3 改进实验的器材

（1）自制冰盐水：取冰冻结实的冰块，在冰块上撒大量盐，撒盐后熔点降低，冰块开始熔化吸热。可以得到零下二十多度的冰盐水。

（2）改装塑料试管：管径1.5 cm左右的普通塑料管或是小号注射器都可以的（有刻度的最为理想）。最好在里面均匀缠上铜丝，使试管内的冰可以均匀受热。给塑料细管配上塞，塞上打一个孔，用来固定温度传感器的探头。

（3）自制隔热杯：选身边透明塑料杯，也可以是矿泉水瓶，用隔热材料如铝箔或PVC泡沫制成一个隔热装置，这样可以保持冰盐水数小时低温。注意为了可以观察到水的凝固过程，隔热杯要留有观察窗。为了既能够把装水的塑料管放到冰盐水中冷冻又能够清楚观察凝固过程，需要在隔热杯盖上靠近观察窗口开一个塑料管大小的洞。

（4）连接好温度传感器和数据采集器，设计好温度随时间变化的模板。

4 改进后实验过程（见图1）

4.1 准备阶段

（1）将自制的零下20°左右的冰盐水装入隔热杯中。

（2）在塑料试管中装入5 cm左右深度的水。

（3）连接好温度传感器和数据采集器，打开设计好的温度随时间变化的模板，把灵敏准确的温度传感器插入装有水的塑料试管中采集管内水的温度。使温度能够在数据采集器上以图表和数据的形式清晰准确的展现出来。

4.2 操作过程

（1）把装水的塑料管从杯盖上的洞放入隔热杯中，把温度传感器插入塑料试管中采集管内水的温度，通过透明隔热杯的观察窗可以观察水的凝固现象并记录状态，结合数据采集器上的温度时间图像得到水完整的凝固过程信息。

（2）将已结冰的试管从冰盐水中取出，用双手捂住试管给试管加热，观察冰熔化现象并记录状态的变化，结合温度传感器在电脑上得到冰熔化过程的温度时间图像得到完整的冰的熔化过程。

5 此装置的其他价值—— 研究性学习

此自制装置取材生活、制作简单并可以多次重复使用，课后还可以為学生的研究性学习创造条件，开展多个研究性学习课题，例如：

（1）水混有杂质以后熔点以及凝固点的变化情况。

（2）有哪些常见物质可以和水混合作为制冷源？

（3）和盐混合以后体积问题。

（4）配合力的传感器探究熔化和凝固过程中质量问题。

（5）凝固以及冰熔化过程中体积随温度的变化规律……

6 讨论与评价

6.1 改进的优点

该装置取材容易、制作简单；保存、携带、使用安全方便；可多次重复使用；提高了实验的精确度；缩短了实验时间；设计更为完整、科学、合理。

（1）冰盐水作为制冷源解决了原实验中取碎冰困难；避免了冰沫间隙带来的影响；可以采集到0°以下多组数据，使实验更加科学，完整。冰块撒盐比用浓盐水放入冰箱冷冻得到的冰盐水的温度更低；冰盐水比酒精和水混合更稳定，可以重复使用。

（2）塑料管可以避免凝固过程中管冷缩以及水反常膨胀带来的爆裂；选细管可以缩短凝固以及熔化所需要的时间；管上的刻度可以为课后研究性学习创造条件。

（3）铜丝导热性好，尽可能均匀置入铜丝可以保证受热均匀，节约实验时间；避免搅拌带来的操作繁琐。

（4）温度传感器探头灵敏度高，可以随时间连续记录，示数直观并能实时变化，实验数据更加精确；避免熔化或凝固过程太快无法准确读数；可以让学生接触了解前沿教学设备，和新教材接轨。

（5）用手捂加热安全可靠，受热均匀；手可以让学生体会到熔化吸热的关键过程，这种体验式活动有利于调动学生参与激情以及激发思维发散；大大的简化了装置。

此自制装置的塑料管比较迷你，手捂的热量以及环境温度的影响再结合铜丝的作用足以为熔化过程供热。

（6）此装置比原实验多了水凝固过程，对比性强，能让学生在实验中得到水熔点凝固点相等的结论。

参考文献

[1] 龚云良.“探究冰的熔化特点”实验改进[J].中学物理：初中版，2012：22-23.