“低熔点物质熔化和凝固系统”的研发及应用

姚仁及

[摘   要]为了做好初中物理中的一个难做实验——“低熔点物质的熔化和凝固”实验，更好地展示晶体、非晶体熔化和凝固的特征，有物理教师结合教学实践研发了结构简单、成本低廉的“低熔点物质熔化和凝固系统”。在具体实验中，若能调整所用的材料，则可大大提高实验教学效果。

[关键词]初中物理;低熔点物质;熔化;凝固

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）32-0051-02

在初中物理教材中，学生观察、探究物质的熔化与凝固一直是学习的重点。但是，不论过去用萘作为研究对象，还是现在用海波（硫代硫酸钠）作为研究对象，普遍存在的问题是：要么加热过猛，导致晶体熔化时间太短，学生很难看清熔化特征;要么加热过缓，实验时间过长，课堂教学失去合理的节奏感，不符合初中生的年龄特征，实验效率低下。如何提高物质熔化与凝固实验的效果呢？在具体实验中，既要让学生能够观察到晶体熔化、凝固的特征，又要能控制实验时间和教学节奏，为此，教师只有在实验优化、教具革新方面下功夫。

一、“低熔点物质熔化和凝固系统”设计的背景和实验改进

目前，教材上提供的研究对象是海波和冰。以海波为研究对象，一般做法是利用水浴法加热，起始温度控制在35 ℃左右，实验终止时液体温度为60 ℃左右。水浴加热时水量不能太多，水多了，加热升温慢，实验时间就长。水量也不能太少，否则，加热升温太快，晶体熔化时间太短，学生不易观察晶体熔化特征。对海波也要注意用量，取少了，一旦海波开始熔化，温度计的液泡无法处于固态与液态混合物的中央，尽管海波熔化在持续，但是温度计示数一路飙升，体现不出海波晶体的熔点特征。海波不宜取得太多，因为海波是热的不良导体，实验时要不停地搅拌。特别是在观察海波凝固时，液态的海波首先在容器壁凝固析出，这就影响了热交换，随着时间的推移，容器中央的液态海波凝固速度会越来越慢。由于结晶析出的海波紧紧附着在容器壁上，根本无法搅拌。若用冰作为研究对象，熔化的特征很容易看到，但是在教室里难以把水凝固时的特征展示给学生。即使能展示，冰也是热的不良导体，同样会遇到类似海波凝固时出现的问题。

由于实验存在瑕疵，所以很可能会使学生对课本上的结论产生怀疑，影响学生进行科学探究和学习科学知识的兴趣。因为课堂中的科学探究和实验过程用时太长，加之成功率难以保证，久而久之，教师也就放弃了实验教学（这是物理教学过程中的常见现象），进而以讲实验代替做实验。物理教学一旦放弃了动手实验，“学科关键能力的培养、学生核心素养的提升”就是“一纸空文”。基于上述原因，我们从两个方面对物质熔化与凝固的实验进行优化和改进，一是寻找合适的研究对象，二是改进加热装置，为此，应精心设计一个既能在较短时间内顺利完成的实验，又能让学生充分观察到真实的实验现象，从而帮助学生提高学习效率。“低熔点物质熔化和凝固系统”就是在这样的背景和思路下设计、制作完成的。

二、 “低熔点物质熔化和凝固系统”的主体结构

“低熔点物质熔化和凝固系统”（下文简称系统）主要有加热、冷却两个装置。系统分三个部分，一是底座，二是热腔，三是冷腔。三部分均用亚克力材料制成，两个腔室的正面为透明材料，便于学生观察物体状态的变化，同时嵌入温度示数窗口。冷腔最低温度可以达到-20 ℃，热腔最高温度可以达到100 ℃以上，采用温度传感器测温，考虑到亚克力承受的温度极限，实验时可按需调节。

（1）热腔加热与冷腔降温的原理：当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷、热端，再通过电流调节实现控温。

（2）熔化和凝固的研究对象由装置上方的置物口放入冷、热两腔室中，如图1所示。置物口的盖板上留有小孔，测量研究对象温度变化的传感器或普通温度计由小孔插入。装置侧面固定的温度显示器是用来显示腔室内环境温度的，通过调节电流的强弱，就可以改变腔室中温度变化的速率和腔室内的最终温度。

（3）与水浴加热、自然冷却比较，该系统的优势是：工作中无流动性液体，可靠性高。特别是该系统响应速度快，开机即可达到设定温度，再通过调节工作电流的大小，就可以方便地调节加热和制冷的速率。

三、晶体熔化和凝固实验研究对象的选择

萘、海波和冰都是热的不良导体，观察它们熔化时，需要不停地搅拌，以保证受热均匀。但是，在它们凝固时，就很难做到液面与液内温度一致、已经凝固的晶体与液体温度一致。因此，我们聚焦在低熔点、导热性好的材料上，以寻找安全、合适的研究对象。从创新的角度出发，选用新的物质作为研究对象，取得了成功。我们选取的研究对象是金属镓。

镓是灰蓝色或银白色的金属。熔点很低，沸点很高，在空气中很稳定。镓的熔点只有39.76 ℃左右，而沸点可高达2403 ℃。镓的熔点和环境温度（如苏州地区春夏温度）接近，利用金属镓进行熔化或凝固实验十分简单，实验时，可以先观察镓在冷腔中凝固，后观察在热腔中熔化。

四、非晶体熔化和凝固研究对象的选择

观察非晶体熔化与凝固的实验，教材上使用石蜡。石蜡受热熔化快，降温凝固慢，而且容器壁粘上蜡渍后，清洗比较麻烦。建议采用动物油脂，比如猪油、鸡油、牛油等。

五、“低熔点物质熔化和凝固系统”的操作

（1）实验准备：先将两个装有金属镓的试管分别放在“物质熔化和凝固系统”的冷、热两个腔室中。打开系统开关，接通电源，这时冷腔内温度下降，其中的金属镓呈固态。热腔内温度升高，其中的金属镓呈液态。

（2）实验观察：电源接通、电流强弱不变，将冷、热腔中的固态镓和液态镓迅速对调腔室。从置物口盖板的小孔中插入温度计，指导学生观察两个腔室中镓的状态变化。如果用温度传感器测温，还可以边人工记录温度值，边由传感器传给电脑，实时生成物体温度随时间变化的曲线。我们就能左右两边同时看到金属镓的熔化和凝固的现象。

（3）重复实验：改变电流强弱，即适当改变腔室的环境温度，再对调冷、热腔室中不同状态的镓，重复实验。“低熔点物质的熔化和凝固系统”的优势在于短时间内可以反复做多次实验，让学生有更多的体验。

（4）观察非晶体熔化与凝固的实验：把装有动物油脂的两个试管分别放在“物质熔化和凝固系统”的冷、热两个腔室中，操作步骤完全与观察晶体熔化与凝固的实验一致。可以通过对调冷、热腔室中的油脂重复实验。

这套教具的研发和实验方式的改進，使实验效果更好、可靠性增强，而且可以多次重复操作。

六、“低熔点物质熔化和凝固系统”在教学中运用的意义

目前，在课堂中使用过这套“低熔点物质熔化和凝固系统”的教师和观摩过这套系统运用的专家一致认为：

（1）“低熔点物质熔化和凝固系统”克服了教材实验的不足。这套装置的研发成功及应用能满足现有初中物理“观察物质熔化与凝固”的实验教学要求，晶体熔化与凝固的特征呈现清晰，教学效果好。同时，这套装置对日后热学知识的学习、能量转换的学习都有积极的作用。

（2）“低熔点物质熔化和凝固系统”实现了“以人为本”的教育思想。这套装置的研发成功及应用把原本操作复杂、可靠性不高的演示实验变成操作简单、可靠性极高的分组动手实验，让更多的学生参与实验的全过程，使得物理学科的特征在课堂教学中能得到淋漓尽致地表现。

（3）“低熔点物质熔化和凝固系统”体现了物理教师的睿智。这套装置的研发成功及应用是基于物理教师对课堂实践问题的思考，是运用自己学科知识与技能，结合现代技术手段进行创新的结果。教具、学具的创新发明能力和实验的优化能力永远是物理教师的学科素质和职业素养的重要组成部分。

（责任编辑 易志毅）