晶体熔化时物质温度问题的质疑、实践和思考

陕西省西咸新区沣西新城大王初级中学(710301) 李参军

陕西师范大学出版总社(710062) 郅 然

1 问题的提出

在初中物理的各类练习册中经常会出现类似的题目：如图1所示，烧杯和小试管中都装有碎冰块(小试管和烧杯不接触)，用酒精灯对烧杯底加热，当烧杯中的冰块有大半熔化时，小试管中的冰块____(选填“会”或“不会”)熔化，理由是__________。

对于这样的题目，常规的解题思路是：用酒精灯加热烧杯，烧杯中的冰会吸热达到熔点熔化；但是当烧杯中的冰大半熔化而未完全熔化时，烧杯中冰水混合物的温度仍为0 ℃，所以小试管中的冰可以从烧杯中的冰水混合物中吸热使温度也达到冰的熔点0 ℃；但这时因为两者温度相等，所以小试管中的冰不会再吸热了，所以其中的冰是不会熔化的。所以答案是：不会，烧杯中的冰熔化温度在0 ℃保持不变，小试管的冰不能从外界吸热。

每次遇到类似的题目，学生都会问题不断。如果是成绩较差的学生出错也就罢了，往往还有不少优等生在这里也想不通，甚至提出一些很尖锐的问题，使人难以“自圆其说”。例如，有学生就提出了这样的反驳意见：假如说烧杯中冰和水的温度都是0 ℃，这样小试管中的冰达到0 ℃后将不能再吸热熔化，那么如果靠近烧杯的冰熔化完了，烧杯中间的冰又是如何熔化的呢？因为烧杯中的水温度一直是0 ℃，冰不能直接从烧杯吸热，也不能从水中吸热，所以烧杯中的冰也不能熔化。显然，烧杯中的冰是可以熔化的，它的吸热只能依靠水，所以可得水的温度一定高于0 ℃，而既然烧杯中水的温度高于0 ℃，所以酒精灯加热时小试管中0 ℃的冰也可以从水中吸热熔化。

2 实验与传统结论的矛盾

强词夺理的否定学生的说法显然不是明智之举，只能依靠实验来解决问题。没有想到的是，实验竟然支持了学生的说法。实验证明：当用酒精灯给烧杯正常加热时，当烧杯中的冰熔化不久后，小试管中的冰也开始熔化。而且实验还证实，冰熔化时水的温度确实略高于0 ℃，正常加热情况下，水的温度可以达到2～5 ℃。而只有在非常缓慢加热的情况下，烧杯中水的温度才基本上保持在0 ℃，而小试管中的冰也只有很少量熔化，但是很难做到完全不熔化。

3 反思和新的猜想

学生实验的结果促使笔者对“冰水混合物的温度规定为0 ℃和晶体熔化时温度不变”的说法进行了深刻的反思。

实验中，正常加热时冰水混合物中水的温度高于0 ℃，而只有在缓慢加热时水的温度才基本保持在0 ℃，可见冰水混合物的温度是0 ℃的说法显然是有条件的，很可能这一说法只在大学物理所说的缓慢变化的准静态下才成立。然而，考虑到人教版8年级上册物理教材中冬天湖水温度分布图(见图2)，即使在较为稳定的状态下，冰水混合物的温度为0 ℃的说法也是存在问题的。冬天湖水温度分布图中，靠近冰面的水的温度是0 ℃，越往下水温越高。而冰下的温度是0 ℃，其上的温度又不断降低，直到冰面的温度与外界大气的温度基本相等，可以是零下十几摄氏度甚至更低。也就是说，即使是较为稳定的状态下，冰水混合物中冰和水的温度都可以不同，并不一定都是保持在0 ℃。故此，笔者认为冰水混合物的温度是0 ℃必须同时满足两个条件：一是冰和水是较为均匀分布的，不能界限分明各自成一体；二是冰水吸热或放热比较缓慢，能保持其温度的平衡。

图2 冬天湖水温度分布图

4 新猜想的实验验证和结论

既然冰水混合物中冰和水的温度可以不同，那么坚持熔化过程中物质温度的不变似乎也就没有多大的价值了，那么晶体熔化的过程中物质的温度是否改变呢？笔者不断改进实验并参考其他教师的改进方案，但总是发现晶体熔化时物质温度的改变，相信许多老师也不会否认这一事实。所以笔者就想，与其不断的想方设法使实验的结果等同于理论，还不如反其道而行之，不对实验做任何限制，干脆做一个常规状态下更贴近实际的熔化实验。先取出冰箱冷冻室中高度最大的箱子，在箱子中放一个装有大半杯水的烧杯，并在烧杯附近放一个小架子，用以固定在烧杯内的侧壁附近和中央的水中分别插入的两个温度计，然后把整个箱子轻轻推入冷冻室冷冻。在做烧杯中的大冰块熔化实验时，观察的现象是：用酒精灯对烧杯加热时，先是烧杯底和侧壁附近的冰迅速升温熔化，而当烧杯底和侧壁附近的冰开始熔化时，烧杯中间冰的温度还是刚从冰箱拿出来时的温度(零下十几摄氏度)；随着熔化的进行，水越来越多，水温慢慢升高，而冰块中间温度计的示数开始保持不变，等一会儿后才开始慢慢升高；最后，当冰块将要完全熔化时，烧杯中的水温已经超过10 ℃。这个实验充分说明了：冰在熔化过程中，冰和水的温度可以不相同，水的温度可以高于0 ℃，而冰的温度也可以低于0 ℃；但是冰的温度不到0 ℃不会熔化，而且一旦冰的温度达到0 ℃一吸热就熔化。所以，笔者认为：熔化过程中温度不变并不是晶体熔化的实质。而晶体熔化的实质是：晶体有一定的熔点，晶体温度只有达到熔点才能熔化，而且一旦晶体温度达到熔点再吸热就必然熔化。

5 启发与建议

教材中把只有在严格条件下才成立的“晶体熔化时温度不变”作为教条传授给学生，而生活中的晶体熔化并不满足这一条件，一些教师更是强化这一在严格条件下才成立的结论，必然会导致理论与实践的分离甚至矛盾，其后果是非常可怕的。而近年来，每当考试中出现了本文开头类似的题目都会引起学生的争议。肯定学生的看法中考肯定失分，否定学生的看法则显然有违生活常识，而给出折中的说法(让学生思想中保持自己的观点、答题时按照书上的说法)又会引发学生对物理学科甚至整个自然科学的怀疑，对培养学生实事求是的科学精神是非常不利的。

因此，笔者建议，初中课本要贴近实际，更要讲究科学，就要舍弃在严格的理论条件下才成立的与生活实际不符的“晶体熔化时温度不变”的结论，而只保留“晶体有一定的熔化温度”这一更普遍和科学并且更贴合实际的结论。当然，这时熔化与凝固图像的问题也可以忽略，以大大减轻学生的课业负担。