创新实验器材，优化实验数据

胡莹 蒋新

摘   要：受多种因素影响，“探究冰的熔化特点”实验效果不好，许多教师选用海波做实验。冰是生活中常见的物体，多数学生错误地认为冰吸热就会熔化，吸热温度就会升高，因此“探究冰的熔化特点”实验是有必要做的。本次改进实验使用超小球形模具制作小冰粒，不用再碎冰，简单易操作;采用水浴法加热或者空气加热，调整水浴法的水温、使用纯净水或者自来水冻小冰粒，均可以调控实验时间;测量出的数据比较准确，能够观察到冰的温度从0 ℃以下逐渐上升，保持0 ℃一段时间不变后，温度再次上升。

关键词：冰;熔化;实验改进

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）8-0049-4

“探究冰的熔化特点”是苏科版八年级物理第二章第三节“熔化和凝固”中的重要实验[1]，冰的熔化在生活中比较常见，其熔化特点具有典型性，学生通过探究冰的熔化特点，总结归纳出晶体熔化的特点——熔化过程中，持续吸热但温度不变，降低了引入晶体概念的难度。但是，由于各种因素的影响，此实验一直较难成功，部分教师选择海波、金属镓进行替代实验[2]，或者播放实验视频。

1    传统实验的困难

1.1    制冰麻烦，过程繁琐

为了均匀受热，部分教师借助刨冰机将冰块切碎，过程中碎冰已经熔化，不能直接用于实验，需要二次冷冻，但是冷冻后碎冰又冻在了一起。制作过程麻烦，并且制不出较好的碎冰，得不出完整的温度数据。

1.2    实验现象不明显

冰的状态变化应该是固态—固液共存态—液态，但以往实验取出碎冰时，已经是固液共存态，看不到全是固态时的冰。学生凭借生活经验认为，冰只要吸热就会熔化，这样的实验现象不仅没有纠正学生错误的前概念，反而给了有力的

证明，正确的实验现象应该是冰达到熔点后才会熔化。

1.3    测量的温度数值不准确

取出碎冰时已经是固态共存态，温度从0 ℃开始，测量不到0 ℃以下的温度值;随着冰继续熔化，水逐渐增多，慢慢浸没温度计的玻璃泡，测量的温度变成水的温度，出现了“冰没有完全熔化，温度已经升到0 ℃以上，并且会持续上升”的现象，看不到维持0 ℃一段时间不变。学生一直认为物体吸热，温度就会升高，实际上冰在熔化过程中吸收热量温度是不变的，以往实验不能纠正学生错误的前概念。

2    冰的熔化实验的改进

2.1    实验器材

超小球形模具，试管（直径2 cm，长度10 cm），红水温度计（-30 ℃～100 ℃），酒精溶液（浓度75%），小烧杯（50 mL），水，胶头滴管，铁架台，石棉网。

（1）超小球形模具（图1）用于制作球形小冰粒，一个模具有228个孔，每个小孔直径为0.5 cm，直接注水冷冻成小冰粒，不需要再碎冰，减少了繁琐程序和实验前的准备时间。模具在淘宝上购买（搜索关键词“超小球形模具”即可找到），10多块钱一个模具，一次可以制作228个小冰粒，基本可以满足一个班级分组实验。

（2）选择直径为2 cm、长度为10 cm的试管装小冰粒，既可使温度计的玻璃泡与被测物體充分接触，又不会因为冰粒过多而延长实验时间。10 cm的长度，可以使温度计的刻度值在试管外侧，避免液化形成的水滴附着试管壁，影响读数。

（3）浓度75%的酒精溶液用于储存冰粒。酒精的凝固点是-117 ℃，将75%的酒精溶液置于冷冻室降温至-18 ℃左右，将装冰粒的试管放入其中，使小冰粒维持低温，以便课堂使用。

2.2    制冰过程

胶头滴管吸取自来水或者纯净水注入模具中，放入冷冻室冷冻，脱模装入试管，就得到了小冰粒。以下细节需要注意：

（1）水不能注满，避免冰粒太大;

（2）与小冰粒接触的试管、酒精溶液和温度计要提前放入冷冻室，避免冰粒接触到温度比自身高的物体而快速熔化;

（3）从模具背面挤出小冰粒，直接注入试管中，不用手触碰冰粒，避免熔化;

（4）每个试管装30粒小冰粒，大约3 g，既能使被测物体与温度计的玻璃泡充分接触，又不会使实验时间过长;

（5）装好小冰粒，将装置再次放进冷冻室，维持低温;

（6）课前将小冰粒装置放在低温的酒精溶液中，维持小冰粒的温度在-15 ℃左右，以便课堂使用。

2.3    实验装置

实验装置有两种可供选择，第一种装置跟课本一致，采用水浴法加热（图2）;第二种装置采用空气加热（图3），装置更加简单，在装小冰粒的试管口塞一个橡胶塞，用于固定温度计，实验中用两根手指捏住试管口，不要触碰试管其他部位，防止熔化加快。

2.4    实验过程

“熔化和凝固”一课按照教材安排应该在9月下旬施教，此季节温度在26 ℃左右，教学时采用空气加热。小冰粒装置从低温酒精溶液中取出发到学生手中，温度大概在-10 ℃左右，学生摇晃试管能够听到沙沙的声音，同时可以看到完全固态的小冰粒;温度逐渐上升，试管中并没有出现液态的水;当温度达到0 ℃，发现试管中逐渐出现水，慢慢地水逐渐增多，冰逐渐减少，但是温度计示数一直维持0 ℃不变;当冰粒消失完全变成水后，温度计示数开始上升。表1是课堂中记录的一组数据。

9月下旬，同时用自来水冻冰粒做了对比实验，发现实验时间缩短，但仍能维持0 ℃一段时间不变，即熔点没有改变，实验数据如表2所示。

12月初，尝试再做冰的熔化实验，仍采用空气加热的方法，发现需要30 min的实验时间。这是因为此季节气温较低，并且空气的导热性也比较差。于是尝试使用水浴法加热，小冰粒装置从-18 ℃的低温酒精溶液中取出，发给学生，组装好器材开始记录，一般从-7 ℃开始记录，学生同样可以观察到冰的状态从固态变成固液共存态最后变成液态，温度从0 ℃以下上升至0 ℃，然后保持0 ℃较长时间不变，最后再逐渐上升，实验数据如表3所示。经过多次实验发现，当水浴法的水温控制在10 ℃，水量控制在50 mL，并且是纯净水冻的冰粒，整个实验时间可以控制在10 min以内。

同时用自来水冻冰粒做了对比实验，发现实验时间再次缩短，但仍可以维持0 ℃一段时间不变，如表4所示。经过多次实验验证发现：自来水冻冰粒，会缩短实验时间，但不会改变冰的熔点。 课堂教学中，学生分组实验的同时，教师利用温度传感器测量冰的温度。温度传感器既能显示温度，又能直接绘制温度变化的图像，节省人力，又比较直观，如图4所示。最后，将传感器绘制的图像与学生绘制的图像（图5）进行对比，总结出冰熔化的特点。观察图像还会发现，冰吸热升温要比水快，为讲授初三的“比热容”打下基础。

3    实验反思

科学思维教育在物理教育中处于非常重要并且核心的地位，科学思维主要包括科学推理、科学论证、模型建构、质疑创新等要素[3]， “探究冰的熔化特点”改进实验，可以有效提升学生的科学思维能力。

（1）实验改进后提升了学生的科学推理能力。改进后的冰的熔化实验，实验现象明显，数据准确，学生能够观察到冰熔化前、熔化时、熔化后的温度及状态的变化。对于得到的温度数据，学生分析发现冰熔化前吸热温度升高，熔化时吸热温度不变，熔化后吸热温度继续升高，进而推理出晶体的熔化特点，在这个过程中提升了学生的科学推理能力。

（2）实验改进后提升了学生的科学论证能力。学生一直认为冰吸热就会熔化，吸热温度就会升高，但是分析实验得到的冰熔化的溫度数据和图像，发现与自己的认知相冲突，在实验现象和数据面前，学生修正了自己的错误前概念，得到正确的冰的熔化特点，在这个过程中提升了学生的科学论证能力。

（3）实验改进后提升了学生的模型建构能力。学生通过探究冰的熔化特点的实验操作和体验，得出实验数据，进而建立晶体和非晶体的物质模型，在这个过程中提升了学生的模型建构能力。

（4）实验改进后提升了学生的质疑创新能力。通过对比自来水和纯净水冻冰粒进行对比实验，拓展学生的思维，培养学生的质疑意识;通过选用小冰粒而不是冰块进行冰的熔化实验，让学生体会到科学创新的重要性。

参考文献：

[1]刘炳昇，李容.义务教育教科书物理八年级上册[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2012.

[2]纪爱杰.“熔化和凝固”教学设计[J].中学物理教学参考，2020，49（02）：78-79.

[3]彭前程.谈对“学生发展核心素养及物理学科核心素养”的理解[J].中学物理教学参考，2017，46（10）：1-4.

（栏目编辑    刘   荣）