利用可在手掌中熔化的金属镓改进“观察冰的熔化过程”实验

陈旭东 吴利文

(浙江省宁波市孔浦中学,浙江 宁波 315021)



利用可在手掌中熔化的金属镓改进“观察冰的熔化过程”实验

陈旭东 吴利文

(浙江省宁波市孔浦中学,浙江 宁波 315021)

知识来源于生活，知识也来源于实验.通过学生的动手操作，再结合观察与思考，把抽象的理论知识内化为浅显的知识，易于接受，是我们教学的一种理想化方式.在初中阶段要在学生头脑中建立起“晶体的熔化过程是温度始终保持不变，但需要不断吸热”这一规律，那么观察晶体的熔化过程这一实验将是至关重要的，但实际上却因为原实验方案操作不易，成功率低，现象不明显等原因，难以真正体现实验的作用，无法让学生真正理解规律.笔者针对该实验的不足进行了创新：用金属镓作为熔化晶体；用温度传感器代替普通温度计；用温水加热替代酒精灯加热，从而实现装置简化、操作简单、现象明显，真正达到此实验所希望的目的.

镓;观察冰的熔化过程;温度传感器;熔化的规律

在初中科学教材的华师大版七年级下册第一章第二节《水的三态变化》中有一个实验，是观察冰的熔化过程，这个实验是学生学习三态变化规律,以及认识晶体与非晶体区别的关键，不过此实验的成功率比较低，不少教师会作为演示实验,但是总体效果不好,不少教师会采用播放视频的方式进行教学.对此，笔者对该实验进行改进，主要从选择材料、温度测量工具、加热方式等方面进行，接下来我从以下几个方面说明本实验的改进过程.

一、实验的教学目标

按照课标要求，本实验的教学目标有以下几点：

1.会描述冰熔化过程的特点.学会描绘冰的熔化曲线，会从冰的熔化曲线确定冰的熔点.

2.知道熔化和凝固的特点，熔化和凝固过程中伴随的能量变化.

3.了解晶体与非晶体的主要区别.

二、实验改进的初衷

科学这一门学科，之所以会吸引学生，让学生更感兴趣，我觉得其中原因有：科学贴近生活，科学来源于生活，又能应用于生活.而教学过程中的许多实验则更进一步让科学贴近学生，所以教学中一些实验的效果如何，现象是否明显，在很大程度上决定了学生对于知识的理解与掌握，更能培养同学们的学习兴趣，对于学生成绩的提高时有很大帮助的.

上述教学目标是要通过观察冰的熔化过程这一实验来达到的，可实际情况，却因为观察冰的熔化过程这一实验存在一些不足，哪怕是教材中之前曾经采用过的材料海波(硫代硫酸钠)、萘，都无法很好的实现.不但学生不能亲自动手做实验，老师做演示实验，成功率也不高，不少老师干脆以课堂讲解实验，播放视频的方式进行教学.的确，对于程度好的学生，对于知识的记忆不是问题，但对于大多数同学，对于描述熔化的特点、曲线的意义、能量的变化等，不能真正掌握，毕竟：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行.

三、原实验过程的弊端

1.华师大版科学的现行教材中选用材料冰来完成活动，实验装置是简单易行的，但操作上仍有不足.主要有以下几点：

(1)前期准备工作较复杂，所需时间较多，包括冰的制备、保存、破碎等工作，比较繁琐；

(2)冰是热的不良导体，加热过程中会出现受热不均，导致熔化时温度难以保持较长时间的稳定，不能真正体现出熔点，同时整个熔化过程所需时间过长.

(3)标准大气压下，冰的熔点在0℃，用普通温度计测量不方便.

(4)实验过程中需要不断搅拌，需用酒精灯加热，操作不便.

2、华师大版的科学教材中，以前也曾选用晶体萘、海波(硫代硫酸钠)作为实验材料，不过现在已经不再采用.

其中弃用萘的原因很简单,就一个字——“毒”.萘是一种易挥发、易升华的物质，进入人体后，会使肝、肾损害等，甚至致癌.

不再采用海波(硫代硫酸钠)，其主要缺点有：

(1)海波(硫代硫酸钠)具有较强的还原性，会和空气中的氧气发生反应，所以不能多次使用；

(2)海波(硫代硫酸钠)是热的不良导体，在实验中，经常出现与试管外壁接触部分的海波先熔化变为液体，温度计的读数会随着加热直线上升，而试管内的中间固态部分还未熔化，导致实验失败.

四、实验改进的考虑因素及改进说明

对于熔化实验的效果如何，我觉得需要考虑以下几点：

1.所选择的晶体熔点要适中，最好在20℃到60℃之间.

2.晶体的化学性质要稳定，最好无毒副作用.

3.整个熔化过程能持续较长时间，现象要明显，测量数据准确并容易记录、所绘图像清晰，能很好的体现熔化的特点.

4.整个实验准备、装置、操作要比较简单，总的时间要短.

5.如果实验能同时完成凝固的过程，效果会更好.

在这种情况下，笔者选用了一种新的材料——金属镓，来完成整个实验活动.如果在上课时告诉同学们有一种金属是可以在你的手掌中熔化成液态，这必将极大地引起同学们的兴趣.

介绍一下金属镓：镓是一种灰蓝色或银白色的金属，导热性能好，熔点较低，只有29.78℃.在空气中化学性质稳定，常温下不会与氧气反应.只通过肠道有微量的吸收，对人体基本没有伤害.

为了更准确的测量熔化时的温度，笔者采用温度传感器和外接数据显示模块：能代替普通温度计直接测量物体的温度，并显示数字，读数方便，精确度更高.如果有专用的电脑软件，实验中能将数据直接转化成图像，则效果更加明显.

用金属镓来完成熔化实验，并利用温度传感器、电脑软件辅助，整个实验操作非常简单，现象明显，熔化过程清晰，图像准确，有助于规律总结与理解，教学效果非常好.

五、改进实验的装置

学生活动装置：

一支普通温度计、一支温度传感器和数据显示模块、装有金属镓的塑料试管、秒表、一杯约200mL的热水即可.

教师的演示实验：

将温度传感器与电脑软件相连，在电脑中就可以实时形成曲线，并能记录相应的数据，分析方便.

实验操作步骤与改进后的优点

1.操作步骤

(1)将50℃的温水约200mL倒入烧杯中.

(2)把已经准备好的装有镓的塑料小试管放入温水中，并固定在铁架台上.

(3)每隔30秒读取温度，进行记录，等温度上升至35℃时，撤去温水，可继续记录降温的过程.

(4)完成后进行数据处理，在坐标纸上进行描点连成光滑的曲线.

(5)归纳总结，得出晶体熔化的规律.

以下是实验所得图像.

2.实验优点

(1)实验装置非常简单，操作也很简单，整个实验过程中也无需搅拌.

(2)加热过程用温水代替酒精灯，不产生废气，更加环保.

(3)材料易得，用量少，一般10克镓就可以，还可反复使用多次.

(4)活动中熔化现象明显，学生能明显的观察到镓在熔化过程中出现的固液共存状态，以及继续吸热，但是温度保持不变的特点.

(5)实验时间大大缩短，从原实验的20分钟，能缩短至一般7分钟内即可完成，并且不受季节限制.

(6)利用温度传感器进行测量，实验数据更加准确,所得图像与理想曲线接近.

从实际教学过程中，也很好的体现了本次改进实验的优点，改成学生实验后，每一位同学都能亲手操作，而且熔化现象明显，能让学生得出熔化的规律，印象深刻，真正做到知识的内化与吸收，总体教学效果相当的好.

六、改进实验的思考

笔者在改进实验的过程中也遇到的一些情况，要与读者分享：

1.在本人多次实验后发现，金属镓在熔化后，不能在短时间内凝固，一般超过半小时，所以针对平行班级要多预备一些.同时，也需要继续探究能在短时间内让镓凝固的方式.

2.购买到的镓储存在玻璃容器内,但是镓有浸润玻璃的特性,同时又因为金属镓在凝固时会膨胀，膨胀率高达3.2%，会胀破玻璃容器，所以需要将金属镓及时保存到塑料试管内备用.后来找来医用的塑料试管作为容器，效果不错.

3.对于加热方式的选择，用温水代替常规的酒精灯加热，操作简单，也环保，整个实验时间也缩短，当然，如果想要金属镓的升温阶段持续时间长一点，更加明显一些，采用酒精灯加热的水浴法可以进行缓慢加热.

[1]陈建峰.冰熔化实验改进的尝试[J].中学课程辅导(教师教育)，2016(04).

[2]李永春.晶体熔化实验的改进[J].中小学实验与装备,2009(01).

[责任编辑：季春阳]

2017-05-01

陈旭东(1979.10-)，男，汉族，浙江省奉化市人，中学一级，本科，从事晶体熔化研究.

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1008-0333(2017)16-0092-03