探究晶体与非晶体熔化特点的实验改进

探究晶体与非晶体熔化特点的实验改进 作者：沈陈

来源：《中学物理·初中》2013年第07期

1 课题名称

本实验为苏教版《物理》八年级上册第二章“物态变化”第三节“熔化和凝固”中的学生探究实验.

2 教学目标

（1）通过对固体熔化时状态的观察，感受物质由固态向液态转变的过程.

（2）通过对固体熔化时温度的测量，理解固体熔化时温度变化的特点.

（3）通过对晶体和非晶体不同的温度变化曲线的对比研究，归纳晶体和非晶体熔化时的特点，巩固知识的同时还能让学生深切感受物质世界的丰富多彩，提高继续探索的兴趣.

（4）本实验需要同组的两位同学通力合作才能完成，因此可以培养学生合作探究的精神.

（5）实验数据的记录和熔化温度图像的描绘，可以培养学生对实验数据的处理和分析能力.

3 教学设计思路

本着实验是检验真理的唯一标准这一理念，结合学生的认知规律，由学生在自主的探究实验过程中，观察到的现象和主动探究才能让学生真正接受、理解并印象深刻.所以在本实验的设计上，应保证学生能经历观察固体熔化的整个过程，通过对温度的测量和数据分析，让学生更深层次地理解晶体和非晶体在熔化时的特点和区别.

3.1 实验药品

本实验所用的晶体为硫代硫酸钠（分析纯），非晶体为烛蜡.

3.2 选择理由

两种药品均比较常见，易于购买，且对人体安全.硫代硫酸钠的熔点为48 ℃，烛蜡一般在四十多摄氏度开始软化，而熔化温度约为45 ℃～65 ℃，于是两种固体的熔化实验可采用完全相同的加热装置，且完全相同的实验操作步骤，对于组与组之间实验药品的差别，学生不易察觉，为实验后学生自然发现固体可根据熔化特点分为晶体与非晶体打下基础.

3.3 实验器材的选定与改进

本实验所用器材为浙江省嘉兴市南湖摄影器材厂生产的“萘的熔解凝固实验器”（目录编号：2262，产品代码：J07262），配以酒精灯、石棉网、三脚架和温度计组成实验装置如图1所示.

3.4 实验效果和时间的控制

（1）为尽量延长晶体熔化时间，使学生所画出的晶体熔化图像中，温度保持不变的那段水平线更为明显，小试管中药品的数量应尽可能多一些，经反复试验，最终确定药品加入量约为小试管总长的三分之二为宜，熔化后变成的液体体积也恰好能将温度计的玻璃泡完全浸没.

（2）本实验采用水浴法加热，小试管外大烧杯中水面高度应略高于小试管内固体的高度以保证加热时充分而均匀地受热.但水的数量过多，会使水温升高变慢，使熔化过程变长而影响教学进度.考虑到实验室酒精灯的加热能力，经多次实验，最终确定为大烧杯中水的加入量为350 mL为宜.但即便如此设定，开始实验时，学生若加入的是冷水，则水温从常温升高至固体开始熔化（约48 ℃），这段时间约需要10分钟，这10分钟学生苦苦守候却未曾见到期待的实验现象，对学生的积极性是很大的打击.并且加热时间越久小试管中水温与大烧杯中的温差会越来越大，导致对小试管内固体的放热加快，使熔化时间大大缩短，所画图像中晶体熔化时温度保持不变这一特性变得不明显，导致实验的失败.（从某些文章中了解到，可在大烧杯中增加一个温度计，通过移动酒精灯来控制大烧杯与小试管之间温差在5 ℃以内，但本人尝试过，实验操作难度之大不说，就控制温度在5℃以内这点，就会大大转移学生实验时的注意力，对学生观察固体熔化现象大为不利，实在不适合初二学生使用，故排除之.）所以上课前，教师可先配好42 ℃的温水（水温过高，会使烛蜡软化呈糊状，变得难以搅拌）.在上课铃声响之前5分钟时倒入每组学生的大烧杯里约350 mL，提前倒温水为的是对药品进行预热，到课堂上开始实验时，药品的初温大约可升至38 ℃，提高药品初温，可以节省实验时间.加热开始后，由于药品温度的上升会滞后于水温的上升，所以要求学生从药品温度升高至40 ℃再开始记录，这样，可以避免数据图像中出现起始温度不变的情况.经这样的调整，整个实验的过程约需12分钟，而晶体的熔化过程大约可以维持3分钟左右.非晶体烛蜡的熔化则呈现出温度不断上升的正常趋势.

（3）为保证实验的需求，酒精灯的灯芯应适当拉长、散开，使火焰面积更大一些.

3.5 分组实验的设计

因为本实验完整的过程不论是晶体的熔化还是非晶体的熔化都需要约12分钟的时间，所以课堂上让同一个小组先后进行晶体和非晶体熔化的探究，时间上安排不过来.实验时，由于需要保持不断搅拌以保持固体的受热均匀的同时还需要每分钟记录一次温度值，需要同组两位同学分工合作，一个充当搅拌员的角色，而另一个充当数据记录员的角色.基于此，教师事先装药品的时候，一些组装的是晶体，另一些组装的是非晶体，而学生自己却不知道还有药品的

差别.因为实验操作方面两个实验是完全相同的，差别只是在将温度数据描绘成图像的时候才体现出来，而就是在学生感觉困惑的时候，教师适时地提醒：有没有可能是因为各组所加热熔化的固体不同，而导致了这样温度变化特点的不同？学生顿时感悟到，固体的熔化会因晶体和非晶体的不同而表现出不一样的特点.可以加深学生对晶体和非晶体熔化特点的印象和理解.但由于学生只看到了一种固体的熔化现象，所以，课堂教学时，教师对晶体和非晶体在熔化时所表现出来的由固态怎么转变到液态的过程，需要请学生较为详尽的描述，这样可以让做其他种类固体熔化实验的同学，也能了解另一种固体是怎么由固态变为液态的.

4 教学过程

探究固态熔化的特点：

提问：在刚才所举的例子中，通过怎样的方式固态的物质变成液态的？

学生回答：加热.

提问：是一开始加热就会熔化的吗？

学生回答：不是，加热一段时间后才熔化的.

提问：熔化的时候，固体的温度是否会发生变化呢？你猜猜看！

提问：你觉得如何设计这个实验呢？

学生回答：对固体进行加热，对其温度进行测量并记录.

出示老师准备的实验装置图，请学生思考，使用水浴法加热比直接对固体加热有哪些优点？

学生回答：受热均匀，温度可控，可减缓实验过程.

进行实验与收集证据：

两人一组，一人负责不断地搅拌，另一人则负责温度的记录，分工协作.

提醒学生注意：

（1）温度计的玻璃泡始终保持与被测物体充分接触.

（2）注意保持搅拌，使物体受热均匀，这是实验成败的关键（关于该装置的搅拌，是学生第一次接触到，为了更好的让学生掌握搅拌的技巧，可事先录制好一段教师搅拌操作的示范视频，约30 s左右即可，课堂上插入课件内适时播放.）

（3）当水温达到40 ℃时开始计时，每隔1分钟将温度数据记录在导学案相应的表格内，并注意观察固体状态的变化.

设计意图 为了节省实验时间，课前给学生大烧杯中倒入的是42 ℃左右的热水，到上课时，水温已基本降至38 ℃左右，刚开始加热，大烧杯中的水温逐步升高，但小试管中固体的温度不会立即升高，一般要等到2～3分钟以后，才开始明显上升.要求学生以小试管内温度达到40 ℃为计时起点，可以让所计录的数据更科学，避免出现固体在熔化之前就出现一段水平的直线，由此画出的温度时间图像才能准确地反应熔化的特点.

实验完成后，学生将记录的数据在坐标内描点、连线，绘制熔化曲线.

教师各挑选一张学生的图像用实物投影进行展示，请学生比较两张图的异同.并思考，两张图的不同之处，说出各自反应的是什么样的熔化特征.

实际给班级学生提供的固体分两种，一种是硫代硫酸钠，另一种是蜡烛，而学生其实并不知情.所以绘出的熔化图像，就会有两种明显不同的特点.用实物投影将两种图像同时展现出来，并寻找各自的支持者，学生很自然地分成两队，引起学生的冲突，激发学生探求的欲望. 通过学生的回答，教师归纳：固体分为晶体和非晶体.

晶体熔化特点：

（1）熔化时温度保持不变（熔点）

（2）熔化要吸热

非晶体熔化特点：

（1）熔化时温度不断升高

（2）熔化要吸热

5 说明

5.1 实验器材的选择与改进

本实验采用熔化凝固实验器，酒精灯水浴法加热，考虑到原配的搅拌器距离小试管底部还有一段距离，导致搅拌不充分，所以，每套装置的搅拌器进行了改良，用铁丝缠绕的方式加长至接近小试管的底部，加强搅拌的效果.

5.2 实验药品的选择和确定

由于晶体和非晶体熔化时间都比较长，两个实验都让学生做的话重复操作又浪费时间.为提高课堂效率，选用的晶体是海波，非晶体是蜡烛，海波熔点为48 ℃，而蜡烛的熔化范围大致为45 ℃～65 ℃.两者的温度区间基本一致，所以，采用事先并不告知学生实验药品的不同，让大家以为是同样的器材，却得出截然不同的实验结果，用冲突让学生加深对固体存在晶体与非晶体的印象，用矛盾让学生加强对晶体与非晶体熔化特征的理解.

5.3 实验效果和时间的控制

上课前，在大烧杯里装大约42 ℃的热水350 mL，为的是对药品进行预热，到课堂上开始实验时，温度大约降至38 ℃，提高药品初温，可以节省实验时间.加热开始后，由于药品温度的上升会滞后于水温的上升，所以要求学生从药品温度升高至40 ℃再开始记录，这样，可以避免数据图像中出现起始温度不变的情况.小试管内药品量约为小试管长度的2/3，以和大试管内水面齐平为佳，尤其是海波的数量稍微多一点，可以延长熔化的时间过程，画出的数据图像中，温度保持不变的水平线就更为明显.经这样的调整，完整的实验过程约需12分钟，既保证了学生参与体验了一个完整的探究实验过程，又可为后面的教学做好各项准备.