“物態變化”的教學思考與實驗改進

陸挺

[摘 要]通過對“物態變化”教學過程中常見的幾個難點問題進行深入思考，分析現有實驗的局限性與缺陷，并有針對性地改進實驗。文章具體分析下面四個問題：1.“白氣”是氣體還是液體 ？2.固體熔化過程中，溫度升高還是不變？3.液體蒸發過程中，是先吸熱還是先蒸發？4.當將高溫水蒸氣通入燒杯中的冷水里時，是液化放熱還是傳導放熱？并對相關實驗進行探討，或是改進完善。

[關鍵詞]物態變化；教學思考；實驗改進

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-6058（2018）29-0055-02

“物態變化”是初中物理教學中較為獨立的一部分知識，與生活實際聯系緊密，但并不意味著學生很容易理解這部分知識，很多時候，學生對物態變化的理解只浮于表面，造成了很多錯誤認識。針對這一情況，在“物態變化”教學中既要讓學生清晰地看到實驗現象，又要使學生深入了解物態變化的本質，讓學生把現象和本質有機地聯系起來，并能分析解決實際問題。

一、“白氣”是氣體還是液體

初二學生對自然界物質的三種狀態有初步認識，知道冰、霜等是自然界中水的狀態，但是對水蒸氣的認識卻錯誤者居多。在沒有學習“物態變化”時約80%學生認為霧、燒開水冒的“白氣”是水蒸氣。[1]針對這些問題筆者設計了一些實驗，以糾正學生的相關錯誤。

1.用超聲波加濕器說明霧是小水珠

在課上展示，讓學生看加濕器，打開開關，發出白霧。加濕器原理是把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水變成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣的濕度，這就是超聲波加濕的原理。用此裝置能使學生對“霧是小水珠”有一個直觀的感受。

2.二次加熱反證

如圖1，不斷地給燒瓶加熱直至燒瓶中的水沸騰后，在管口會出現“白氣”，如果在管口處用酒精燈加熱（如圖2），“白氣”又會消失。利用此方法也證明了“白氣”不是水蒸氣，而是小水珠，加熱“白氣”后，它汽化了，才會變成無色無味的水蒸氣。

經過正反實驗證明，學生普遍能糾正前概念的錯誤，認識到水蒸氣是一種無色無味的氣體，我們用眼睛是看不到的，我們看到的“白氣”是大量的小水滴聚集在一起，經光線反射、折射和散射，進入眼睛而看到的。

二、固體熔化時，溫度升高還是不變

在做晶體熔化實驗時，利用水浴法加熱，目的是使被加熱的物體受熱均勻，但試管中的晶體，從與試管內壁接觸部分到試管中心部分存在溫度差，越靠近管壁的地方溫度越高，這樣做，實驗結果不是十分理想；另外，原實驗裝置尺寸小，不便觀察固液共存狀態。筆者對冰熔化實驗進行了改進，增大了實驗裝置，延長了實驗時間。學生利用課間時間進行觀察。第一天預先在冰箱里凝固好幾大塊冰，第二天取出幾塊大冰，在大塊冰中鉆一個孔，放入數字溫度計的探頭，起始溫度為-5℃，這時所有冰均未熔化，當有液態水出現時，把大塊冰敲碎，讓探頭伸入到冰水混合物中，能保證溫度基本維持0℃，這樣的冰水混合物狀態能維持大約兩節課時間（90分鐘），期間適當調整探頭的位置，使其保持在冰與水的夾層中。這樣的大裝置好處很多，學生觀察清晰，2節課間雖然冰水混合物中冰的含量不同，但溫度基本保持0℃，還有裝置大，受環境溫度影響小。

對于非晶體熔化的實驗，如果用酒精燈加熱會因為受熱不均勻而出現類似固液共存的狀態，對學生理解非晶體產生了嚴重干擾。筆者采用了在自然高溫（浴霸）下讓其緩慢熔化，能看出漸變的過程，蠟由硬變軟，逐漸黏稠，以此說明非晶體沒有固液共存的狀態，溫度也會隨著環境溫度不斷上升。

通過把實驗時間拉長，讓實驗現象更明顯，讓學生直觀了解晶體和非晶體熔化過程中溫度的變化情況。

三、液體蒸發時，先吸熱還是先蒸發

那么蒸發要吸熱，如果液體無法吸熱，蒸發是否就無法進行了呢？從宏觀角度分析，熱量轉移的條件是有溫度差，液體若能從外界吸熱，勢必外界溫度比液體自身的溫度高。那么，當液體處于和自身溫度相同甚至比自身溫度低的環境中時，無法從外界吸熱，還能蒸發嗎？當然可以，因為蒸發是液體在任何溫度下都可以發生的一種物態變化。由此可見，吸熱并非蒸發的條件。

從微觀角度解釋，蒸發是由于液體表面的一些動能較大的分子，擺脫了其他液體分子對它的束縛，運動到空氣中去了。[2]而分子熱運動是永不停息的，是不受溫度限制的，在任何溫度條件下都會進行的，也就是說在任何環境溫度下液體表層的分子都有可能運動出去，因此蒸發也不是在吸熱的條件下才發生。只是由于溫度越高，分子熱運動越劇烈，平均動能越大，一定時間內擺脫束縛，運動到外界的分子就越多，所以蒸發越快。

由于部分動能大的分子的離開，必然使剩余液體分子的平均動能有所降低，內能減小，宏觀上表現為液體自身溫度降低。當液體自身溫度降低到比外界溫度低時，必然發生熱傳遞，使液體從外界吸收熱量，同時也使外界溫度降低。這就是“蒸發吸熱，使自身及周圍的物體溫度降低，有致冷效果”的原因。

綜上所述，吸熱并非蒸發的先決條件，而是蒸發帶來的結果，是先有了“蒸發”才有“吸熱”。物態變化的過程伴隨著能量的轉移，但能量的轉移究竟是某現象發生的條件還是結果，還需要我們具體問題具體分析。

四、當用高溫水蒸氣通入燒杯中的冷水里時，是液化放熱還是傳導放熱

在“物態變化”教學中，不少教師經常用如圖3所示的實驗證明氣體液化過程要放熱。實驗中，酒精燈加熱水，沸騰后，把高溫的水蒸氣通入燒杯中冷水里，看到燒杯中水增加的同時溫度也上升了。由此說明了水蒸氣液化時要放熱。但細心的同學發現了其中的問題，就是通入的水蒸氣本身溫度就很高，二者相混合時，從熱傳遞的角度來看，冷水溫度也會升高。用這種方法證明液化放熱，證據有所欠缺。改進實驗另取一個燒杯放入相同的冷水，再倒入100℃的開水使混合后的體積與圖3液化后的總體積相同，再比較兩杯水的溫度，才能說明液化需要放熱。

初中學生的思維，處于由具體形象思維向邏輯思維過渡的階段，若將抽象的物理知識轉換為具體形象的實驗現象或具體的應用，學生易于接受。學生在改進的實驗中更易發現物態變化規律，再通過分析一些生活中的實際例子，加深學生對“物態變化”的理解，進而提升學習效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 金利民. 初中物理實驗教學的優化策略 [J].中學教學參考， 2018（5）：45-46.

[2] 顏沸，莫濱.關于“觀察水的沸騰”實驗裝置的改進[J].物理之友，2015（1）：13-15.

（責任編輯 易志毅）