看清“水結(jié)冰”

李志鵬

實驗原型及不足

關(guān)于水結(jié)冰的實驗，課程標(biāo)準(zhǔn)指出：學(xué)生需要觀察并描述一般情況下，當(dāng)溫度降低到0 ℃時，水會結(jié)冰。教材中的實驗步驟是：先在試管里裝四分之一的清水，做好標(biāo)記;然后放入盛有碎冰（加了食鹽）的燒杯中;接著在試管的水中插入一支溫度計，當(dāng)試管中的水開始結(jié)冰時記錄溫度，完全結(jié)冰時記錄冰柱的高度。

在實際教學(xué)中，學(xué)生和教師都會遇到一些問題：

學(xué)生學(xué)的問題：結(jié)冰時間較長，往往無法在一節(jié)課上完成水結(jié)冰的實驗;實驗現(xiàn)象可視性差，無法觀察到水開始結(jié)冰的溫度;試管空間小，溫度計容易觸碰燒杯壁，致使無法準(zhǔn)確測量試管中水的溫度。

教師教的問題：實驗需要準(zhǔn)備大量的碎冰，耗時費(fèi)力。

為此，筆者對該實驗進(jìn)行深入思考與實踐，改進(jìn)了實驗方法，改進(jìn)思路如圖1。

實驗材料

飽和食鹽水、溫度計、溫度計固定器、試管固定器、燒杯、試管等。

其中，固定器是根據(jù)試管和溫度計的直徑分別建模，使用3D打印的教具，也可以采用泡沫（或者較硬的海綿）制作，裝置整體效果和部件圖如圖2。

實驗方法

1.將飽和食鹽水放入冰箱，調(diào)節(jié)冰箱制冷效果，使飽和食鹽水溫度達(dá)到-18 ℃左右，但不結(jié)冰。（飽和食鹽水的凝固點(diǎn)為-20 ℃左右，將冰箱的制冷效果調(diào)節(jié)至-18 ℃左右，這時飽和食鹽水會處于低溫液體狀態(tài)。）

2.在試管中裝入少量水，在試管外用綁橡皮筋的方式標(biāo)出水面的位置。將溫度計插入試管中，使溫度計的液泡浸在水中，用溫度計固定器固定。

3.取出低溫飽和食鹽水，將試管浸入其中，用試管固定器固定。

4.透過低溫食鹽水觀察試管內(nèi)水的結(jié)冰情況，并且將水開始結(jié)冰的溫度記錄下來。

5.待試管內(nèi)的水全部結(jié)冰后，將試管取出，通過橡皮筋的位置對比觀察試管內(nèi)水結(jié)冰前后的體積變化。

實驗優(yōu)點(diǎn)

1.結(jié)冰過程可視化：學(xué)生透過低溫食鹽水，可以清楚地觀察到水結(jié)冰的過程，并及時記錄水開始結(jié)冰的溫度。

2.實驗材料準(zhǔn)備輕松：改進(jìn)后的實驗材料直接從冰箱取出就能投入教學(xué)，并且可以重復(fù)使用。

3.大幅度縮短水結(jié)冰的時間：飽和食鹽水的溫度將近-18 ℃，比碎冰加鹽的混合物的溫度更低;液體與試管間的空隙可以忽略不計，試管和低溫食鹽水充分接觸，使水結(jié)冰的時間縮短至5分鐘，提高了學(xué)習(xí)效率。