看清“水结冰”

李志鹏

实验原型及不足

关于水结冰的实验，课程标准指出：学生需要观察并描述一般情况下，当温度降低到0 ℃时，水会结冰。教材中的实验步骤是：先在试管里装四分之一的清水，做好标记;然后放入盛有碎冰（加了食盐）的烧杯中;接着在试管的水中插入一支温度计，当试管中的水开始结冰时记录温度，完全结冰时记录冰柱的高度。

在实际教学中，学生和教师都会遇到一些问题：

学生学的问题：结冰时间较长，往往无法在一节课上完成水结冰的实验;实验现象可视性差，无法观察到水开始结冰的温度;试管空间小，温度计容易触碰烧杯壁，致使无法准确测量试管中水的温度。

教师教的问题：实验需要准备大量的碎冰，耗时费力。

为此，笔者对该实验进行深入思考与实践，改进了实验方法，改进思路如图1。

实验材料

饱和食盐水、温度计、温度计固定器、试管固定器、烧杯、试管等。

其中，固定器是根据试管和温度计的直径分别建模，使用3D打印的教具，也可以采用泡沫（或者较硬的海绵）制作，装置整体效果和部件图如图2。

实验方法

1.将饱和食盐水放入冰箱，调节冰箱制冷效果，使饱和食盐水温度达到-18 ℃左右，但不结冰。（饱和食盐水的凝固点为-20 ℃左右，将冰箱的制冷效果调节至-18 ℃左右，这时饱和食盐水会处于低温液体状态。）

2.在试管中装入少量水，在试管外用绑橡皮筋的方式标出水面的位置。将温度计插入试管中，使温度计的液泡浸在水中，用温度计固定器固定。

3.取出低温饱和食盐水，将试管浸入其中，用试管固定器固定。

4.透过低温食盐水观察试管内水的结冰情况，并且将水开始结冰的温度记录下来。

5.待试管内的水全部结冰后，将试管取出，通過橡皮筋的位置对比观察试管内水结冰前后的体积变化。

实验优点

1.结冰过程可视化：学生透过低温食盐水，可以清楚地观察到水结冰的过程，并及时记录水开始结冰的温度。

2.实验材料准备轻松：改进后的实验材料直接从冰箱取出就能投入教学，并且可以重复使用。

3.大幅度缩短水结冰的时间：饱和食盐水的温度将近-18 ℃，比碎冰加盐的混合物的温度更低;液体与试管间的空隙可以忽略不计，试管和低温食盐水充分接触，使水结冰的时间缩短至5分钟，提高了学习效率。