利用可在手掌中熔化的金屬鎵改進“觀察冰的熔化過程”實驗

陳旭東 吳利文

(浙江省寧波市孔浦中學,浙江 寧波 315021)

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利用可在手掌中熔化的金屬鎵改進“觀察冰的熔化過程”實驗

陳旭東 吳利文

(浙江省寧波市孔浦中學,浙江 寧波 315021)

知識來源于生活，知識也來源于實驗.通過學生的動手操作，再結(jié)合觀察與思考，把抽象的理論知識內(nèi)化為淺顯的知識，易于接受，是我們教學的一種理想化方式.在初中階段要在學生頭腦中建立起“晶體的熔化過程是溫度始終保持不變，但需要不斷吸熱”這一規(guī)律，那么觀察晶體的熔化過程這一實驗將是至關(guān)重要的，但實際上卻因為原實驗方案操作不易，成功率低，現(xiàn)象不明顯等原因，難以真正體現(xiàn)實驗的作用，無法讓學生真正理解規(guī)律.筆者針對該實驗的不足進行了創(chuàng)新：用金屬鎵作為熔化晶體；用溫度傳感器代替普通溫度計；用溫水加熱替代酒精燈加熱，從而實現(xiàn)裝置簡化、操作簡單、現(xiàn)象明顯，真正達到此實驗所希望的目的.

鎵;觀察冰的熔化過程;溫度傳感器;熔化的規(guī)律

在初中科學教材的華師大版七年級下冊第一章第二節(jié)《水的三態(tài)變化》中有一個實驗，是觀察冰的熔化過程，這個實驗是學生學習三態(tài)變化規(guī)律,以及認識晶體與非晶體區(qū)別的關(guān)鍵，不過此實驗的成功率比較低，不少教師會作為演示實驗,但是總體效果不好,不少教師會采用播放視頻的方式進行教學.對此，筆者對該實驗進行改進，主要從選擇材料、溫度測量工具、加熱方式等方面進行，接下來我從以下幾個方面說明本實驗的改進過程.

一、實驗的教學目標

按照課標要求，本實驗的教學目標有以下幾點：

1.會描述冰熔化過程的特點.學會描繪冰的熔化曲線，會從冰的熔化曲線確定冰的熔點.

2.知道熔化和凝固的特點，熔化和凝固過程中伴隨的能量變化.

3.了解晶體與非晶體的主要區(qū)別.

二、實驗改進的初衷

科學這一門學科，之所以會吸引學生，讓學生更感興趣，我覺得其中原因有：科學貼近生活，科學來源于生活，又能應(yīng)用于生活.而教學過程中的許多實驗則更進一步讓科學貼近學生，所以教學中一些實驗的效果如何，現(xiàn)象是否明顯，在很大程度上決定了學生對于知識的理解與掌握，更能培養(yǎng)同學們的學習興趣，對于學生成績的提高時有很大幫助的.

上述教學目標是要通過觀察冰的熔化過程這一實驗來達到的，可實際情況，卻因為觀察冰的熔化過程這一實驗存在一些不足，哪怕是教材中之前曾經(jīng)采用過的材料海波(硫代硫酸鈉)、萘，都無法很好的實現(xiàn).不但學生不能親自動手做實驗，老師做演示實驗，成功率也不高，不少老師干脆以課堂講解實驗，播放視頻的方式進行教學.的確，對于程度好的學生，對于知識的記憶不是問題，但對于大多數(shù)同學，對于描述熔化的特點、曲線的意義、能量的變化等，不能真正掌握，畢竟：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行.

三、原實驗過程的弊端

1.華師大版科學的現(xiàn)行教材中選用材料冰來完成活動，實驗裝置是簡單易行的，但操作上仍有不足.主要有以下幾點：

(1)前期準備工作較復雜，所需時間較多，包括冰的制備、保存、破碎等工作，比較繁瑣；

(2)冰是熱的不良導體，加熱過程中會出現(xiàn)受熱不均，導致熔化時溫度難以保持較長時間的穩(wěn)定，不能真正體現(xiàn)出熔點，同時整個熔化過程所需時間過長.

(3)標準大氣壓下，冰的熔點在0℃，用普通溫度計測量不方便.

(4)實驗過程中需要不斷攪拌，需用酒精燈加熱，操作不便.

2、華師大版的科學教材中，以前也曾選用晶體萘、海波(硫代硫酸鈉)作為實驗材料，不過現(xiàn)在已經(jīng)不再采用.

其中棄用萘的原因很簡單,就一個字——“毒”.萘是一種易揮發(fā)、易升華的物質(zhì)，進入人體后，會使肝、腎損害等，甚至致癌.

不再采用海波(硫代硫酸鈉)，其主要缺點有：

(1)海波(硫代硫酸鈉)具有較強的還原性，會和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以不能多次使用；

(2)海波(硫代硫酸鈉)是熱的不良導體，在實驗中，經(jīng)常出現(xiàn)與試管外壁接觸部分的海波先熔化變?yōu)橐后w，溫度計的讀數(shù)會隨著加熱直線上升，而試管內(nèi)的中間固態(tài)部分還未熔化，導致實驗失敗.

四、實驗改進的考慮因素及改進說明

對于熔化實驗的效果如何，我覺得需要考慮以下幾點：

1.所選擇的晶體熔點要適中，最好在20℃到60℃之間.

2.晶體的化學性質(zhì)要穩(wěn)定，最好無毒副作用.

3.整個熔化過程能持續(xù)較長時間，現(xiàn)象要明顯，測量數(shù)據(jù)準確并容易記錄、所繪圖像清晰，能很好的體現(xiàn)熔化的特點.

4.整個實驗準備、裝置、操作要比較簡單，總的時間要短.

5.如果實驗能同時完成凝固的過程，效果會更好.

在這種情況下，筆者選用了一種新的材料——金屬鎵，來完成整個實驗活動.如果在上課時告訴同學們有一種金屬是可以在你的手掌中熔化成液態(tài)，這必將極大地引起同學們的興趣.

介紹一下金屬鎵：鎵是一種灰藍色或銀白色的金屬，導熱性能好，熔點較低，只有29.78℃.在空氣中化學性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不會與氧氣反應(yīng).只通過腸道有微量的吸收，對人體基本沒有傷害.

為了更準確的測量熔化時的溫度，筆者采用溫度傳感器和外接數(shù)據(jù)顯示模塊：能代替普通溫度計直接測量物體的溫度，并顯示數(shù)字，讀數(shù)方便，精確度更高.如果有專用的電腦軟件，實驗中能將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成圖像，則效果更加明顯.

用金屬鎵來完成熔化實驗，并利用溫度傳感器、電腦軟件輔助，整個實驗操作非常簡單，現(xiàn)象明顯，熔化過程清晰，圖像準確，有助于規(guī)律總結(jié)與理解，教學效果非常好.

五、改進實驗的裝置

學生活動裝置：

一支普通溫度計、一支溫度傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊、裝有金屬鎵的塑料試管、秒表、一杯約200mL的熱水即可.

教師的演示實驗：

將溫度傳感器與電腦軟件相連，在電腦中就可以實時形成曲線，并能記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，分析方便.

實驗操作步驟與改進后的優(yōu)點

1.操作步驟

(1)將50℃的溫水約200mL倒入燒杯中.

(2)把已經(jīng)準備好的裝有鎵的塑料小試管放入溫水中，并固定在鐵架臺上.

(3)每隔30秒讀取溫度，進行記錄，等溫度上升至35℃時，撤去溫水，可繼續(xù)記錄降溫的過程.

(4)完成后進行數(shù)據(jù)處理，在坐標紙上進行描點連成光滑的曲線.

(5)歸納總結(jié)，得出晶體熔化的規(guī)律.

以下是實驗所得圖像.

2.實驗優(yōu)點

(1)實驗裝置非常簡單，操作也很簡單，整個實驗過程中也無需攪拌.

(2)加熱過程用溫水代替酒精燈，不產(chǎn)生廢氣，更加環(huán)保.

(3)材料易得，用量少，一般10克鎵就可以，還可反復使用多次.

(4)活動中熔化現(xiàn)象明顯，學生能明顯的觀察到鎵在熔化過程中出現(xiàn)的固液共存狀態(tài)，以及繼續(xù)吸熱，但是溫度保持不變的特點.

(5)實驗時間大大縮短，從原實驗的20分鐘，能縮短至一般7分鐘內(nèi)即可完成，并且不受季節(jié)限制.

(6)利用溫度傳感器進行測量，實驗數(shù)據(jù)更加準確,所得圖像與理想曲線接近.

從實際教學過程中，也很好的體現(xiàn)了本次改進實驗的優(yōu)點，改成學生實驗后，每一位同學都能親手操作，而且熔化現(xiàn)象明顯，能讓學生得出熔化的規(guī)律，印象深刻，真正做到知識的內(nèi)化與吸收，總體教學效果相當?shù)暮?

六、改進實驗的思考

筆者在改進實驗的過程中也遇到的一些情況，要與讀者分享：

1.在本人多次實驗后發(fā)現(xiàn)，金屬鎵在熔化后，不能在短時間內(nèi)凝固，一般超過半小時，所以針對平行班級要多預備一些.同時，也需要繼續(xù)探究能在短時間內(nèi)讓鎵凝固的方式.

2.購買到的鎵儲存在玻璃容器內(nèi),但是鎵有浸潤玻璃的特性,同時又因為金屬鎵在凝固時會膨脹，膨脹率高達3.2%，會脹破玻璃容器，所以需要將金屬鎵及時保存到塑料試管內(nèi)備用.后來找來醫(yī)用的塑料試管作為容器，效果不錯.

3.對于加熱方式的選擇，用溫水代替常規(guī)的酒精燈加熱，操作簡單，也環(huán)保，整個實驗時間也縮短，當然，如果想要金屬鎵的升溫階段持續(xù)時間長一點，更加明顯一些，采用酒精燈加熱的水浴法可以進行緩慢加熱.

[1]陳建峰.冰熔化實驗改進的嘗試[J].中學課程輔導(教師教育)，2016(04).

[2]李永春.晶體熔化實驗的改進[J].中小學實驗與裝備,2009(01).

[責任編輯：季春陽]

2017-05-01

陳旭東(1979.10-)，男，漢族，浙江省奉化市人，中學一級，本科，從事晶體熔化研究.

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