冰熔化与水凝固实验设计与分析

冯 楠

（银川市第十三中学，宁夏 银川 750021）

自然界中的水有固、液、气3种形态，水的物态变化是初中物理教学的重要研究课题.冰熔化和水凝固实验需要在特定温度条件开展，难以在课堂中展现.

本文提出2种方案，主要研究冰熔化和水凝固时的温度变化情况.第1种采用冰熔化和水凝固实验器与传感器、计算机组合获取实验图像，得出实验结果.第2种采用冷冻盐水、西林瓶、自来水、电子温度计组合，观察水凝固与冰熔化过程的物态变化并记录实验温度，绘制图像，得出结论.

两种方案均可将让冰熔化和水凝固实验带入课堂，使学生体会物理学的魅力，同时在活动中体验合作探究过程，提升学生的科学素养.

1 传感器在冰熔化和水凝固实验中的应用

相比传统的物理实验器材，传感器的应用可实现实验过程“可视化”，数据采集“精准化”，数据处理“智能化”，实验教学“数字化”.

1.1 实验仪器简介

如图1所示，冰熔化和水凝固实验器内置温度传感器、风扇、制冷片、冷冻舱.通电后水降温凝固成冰，断开电源冰升温熔化成水.采用数据采集器连续采集实验过程的温度变化情况并绘制温度-时间曲线.

图1 水凝固和冰熔化实验器

1.2 实验过程

（1）如图2所示，采用HDMI数据线连接冰熔化和水凝固实验器、数据采集器，采用USB数据线连接数据采集器、计算机.

图2 仪器连接

（2）打开软件，自动识别传感器，选择菜单栏“采集参数”.频率设计为1点/s，“限定时间”选3 min，点击“确定”.

（3）在冰熔化和水凝固实验器中加入几滴纯净水（水位没过温度传感器的感温探头）.

（4）点击菜单栏“开始”按钮，接通电源，制冷片开始工作，一段时间后肉眼可见水瞬间结冰.如图5所示，数据样本显示在视窗左侧，时间温度曲线显示在视窗右侧.

（5）观察水凝固过程制冰腔中水的透明度与时间温度曲线关系，当温度下降到零下某个值时，水完全凝固（如图3、图4所示）.

图3 冰水混合物

图4 水完全凝固成冰

（6）断开实验器电源，温度上升冰逐渐熔化，直至采集时间3 min完成为止.

如图5所示的实验曲线，纵轴为温度，横轴为采样时间.根据实验过程物态不同，实验曲线可分为AC、DE、EG、GH、HI 5部分.其中AC段为液态水，DE段为冰水混合物，EG段为固态冰，GH段为冰水混合物，HI段为液态水.从实验中发现，当温度第1次下降到0℃时（B点），水并未结冰，直至温度下降到零下的一个温度值时（C点），温度迅速上升至0℃（CD段），温度第2次回至0℃时，观察到水立即凝固成冰（DE段），此时冰的温度继续下降（EF段）.断开实验器电源，制冷片停止工作，冰的温度上升（FG段），到达零摄氏度（G点）时，冰开始熔化，温度保持在零摄氏度不再升高，（GH段）直至冰完全熔化为水，温度再次升高（HI段）.

图5 水凝固和冰熔化过程时间温度曲线

实验过程中发现，水的温度降至0℃时未凝固，继续降温至－4.8℃时水仍未凝固.下一秒水温回升至0℃时初始冰晶生成，结冰过程耗时4 s.物理学把液态物质在温度降低至凝固点而仍不发生凝固或结晶等相变的现象称为过冷状态.

1.3 实验分析

（1）过冷现象.

问题1：水凝固实验过程中，为什么水的温度降至0℃时未凝固，继续降温至－4.8℃时仍未凝固？

从微观的角度分析，液态的水分子介于有序与无序之间的状态，冰块中的水分子是有序排列的结构.当水将要结成冰时，必需先有一些微小的冰晶做“核心”，水分子才容易围绕这些核心不断地排列起来，形成冰块.在纯净水中，由于缺少冰核，故温度降至0℃以下，水仍未凝固.

问题2：为什么水凝固成冰的过程中温度一直保持在0℃？

水凝固成冰的过程是液态水—冰水混合物—冰相互转化的过程，该过程属于放热过程.实验过程中水不断凝固放热，冷冻舱不断降温吸热，吸热—放热平衡，温度保持不变直至水完全凝固成冰.摄氏温标把标准大气压下冰水混合物的温度规定为0℃，因此水凝固成冰的过程中温度一直保持在0℃.

问题3：为什么冷冻舱中的水完全凝固成冰后温度—时间曲线近似直线下降？

水完全凝固成冰后放热过程终止，吸热—放热平衡被打破，受冷冻舱降温作用的影响，冰的温度—时间曲线近似直线下降.

问题4：水为什么会产生过冷现象，如何使过冷的水结成冰？

天然水中含有许多极其微小的悬浮物或者因冷却过程缓慢，细小的冰晶很容易产生，结冰并不困难.如图6、图7所示，为水的微观结构图和冰的微观结构图，极纯的水在快速冷却时，不容易产生冰晶.虽然温度已降至0℃以下，由于缺乏“晶核”，水分子不能有序排列凝固成冰晶，就出现了过冷现象.

图6 水的微观结构图

图7 冰的微观结构图

过冷水是极不稳定的，只要给与轻微扰动（例如振动、轻微触碰、加入颗粒物等），水就会立即凝固形成大块冰晶.

（2）凝固点和熔点.

① 凝固点：水在过冷现象完成之后，温度变化经历了第一个平台期（DE段），这说明水在凝固过程中有一个固定的温度，叫做凝固点.水要达到凝固点时，要继续降低环境温度，水向外放热才能凝固，这说明水凝固成冰需要两个条件，达到凝固点，持续放热.

② 熔点：当冰的温度降低到－7℃时，断开演示器电源，冰的温度持续上升，直至达到0℃，冰开始熔化，此后，经历第2个平台期（GH段），温度不再上升，此时的状态为固液共存态，这说明冰在熔化过程中有一个固定的温度，称作熔点.冰在熔化时需要两个必备条件，达到熔点，继续吸热，但温度不变.

1.4 实验拓展

为了更准确地研究过冷现象，用非纯净水（在普通自来水中加入一滴蓝墨水）重复以上实验，得出实验图像如图8所示.

如图8所示，在AB段，水的温度降低，温度降低至B点时，略微回升，经历第1个平台期（BC段），水开始凝固，当水完全凝固成冰，在制冷片的作用下，冰的温度继续降低.在BC段，发现只是略微的回升，得出非纯净水的过冷现象并不明显.由于加入了一滴蓝墨水，非纯净水的熔点和凝固点均略高于0℃.分析原因，在非纯净水中有许多微小的悬浮物，在温度降低到凝固点时，容易形成冰核，冰分子以此为核心整齐地排列成有序结构.

图8 非纯净水凝固和冰熔化温度变化图像

2 用电子温度计研究水凝固和冰的熔化过程

在没有传感器的情况下，如何让水凝固和冰熔化的实验走进物理课堂，培养学生发现问题，解决问题的科学思维.下文用更简便的器材让学生体验生活中的物理，学习感受生活处处有物理.

2.1 实验器材

冰盐水（在冰箱冷冻室放置一天）、小瓶清水、热水、铁架台、数字温度计、烧杯、计算机.

2.2 实验过程

（1）纯净水凝固.

① 如图9所示，组装实验器材，手机实时记录温度随时间的变化.在烧杯中倒入适量冰盐水（温度是－16.7℃）

图9 非纯净水凝固成冰系列图片

② 将装有纯净水的小瓶放置于冰盐水中，插入数字温度计，打开手机录像，观察温度变化及水的状态.

根据录像视频，每隔10 s取温度值，数据记录如表1，在EXCLE中输入数据，绘制温度随时间变化的曲线（如图10所示）.

表1 纯净水凝固温度变化图像

图10 纯净水凝固温度变化图像

从数据和图像中均得出纯净水在凝固时，有过冷现象产生.纯净水的过冷温度可达－5.2℃，轻微晃动温度计，水立即结冰，温度迅速回到0℃，随后温度不变，直到水完全结冰，温度再次下降.为了进一步研究过冷现象是否是纯净水凝固所特有的现象，在纯净水中加入一滴蓝墨水，重复以上实验，数据记录如表2，绘制非纯净水凝固温度变化图像如图11.

图11 非纯净水凝固温度变化图像

表2 非纯净水凝固温度变化图像

从实验数据和图像可知，非纯净水在凝固时，过冷现象并不明显，与方案一中用传感器分析的数据一致.

5 结语

水凝固成冰和冰熔化成水的实验，解决水的凝固和冰的熔化所需的低温环境的因素，方便、快捷的在课堂中进行实验，展现出各方面的优势.

（1）提高课堂教学效率.

利用传感器进行实验，可在较短的时间完成水凝固和冰熔化的实验，提高课堂教学效率，使学生在有限的时间内，达到学习效率的最大化.

（2）提高学生的合作探究能力.

通过小组合作、师生合作，发挥学生的主动性和自主性.改变了传统课堂教学中教师讲，学生听，课堂气氛沉闷，教学效果低下的局面，创设活动，学生自主探究，组内讨论、组间交流，唤醒学生的主体意识，激活思维，使学生真正参与到课堂中，提高了学生的合作探究能力.

（3）理论联系生活，体现物理与生活的联系.

水结冰学生非常熟悉，但是水结冰的温度变化，所需的条件及过冷现象的产生，学生比较陌生.将水结冰的实验引入课堂，充分体验出物理与生活的联系，从而培养学生从生活中发现物理，将物理应用于生活的能力.