探究海波的熔化與凝固實驗帶來的思考

劉華麗

摘要：探究固體熔化時溫度的變化規律是人教版物理上冊八年級第三章第二節內容，是學生在初中物理課中接觸到的第一個相對完整的科學探究活動。做好海波的熔化和凝固實驗可以幫助學生對科學探究建立完整的認識，培養科學探究能力。海波熔化實驗既是教學的重點，又是難點。本文主要從教材中的實驗方法出發，提出實驗中所存在的問題及改進的措施，從而提高演示實驗的成功率，使學生更加直觀地理解知識。

關鍵詞：晶體；非晶體；熔化；凝固；過熱；過冷

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2021）07-0120

海波的熔化與凝固實驗是人教版八年級物理上冊第三章第二節中的內容。做好該實驗有利于引導學生正確理解“晶體熔化和凝固的過程中雖吸熱或放熱但溫度保持不變”這一實驗事實。平時實驗教學中，由于教師按照初中教材上的方法進行實驗，經常會出現“過熱和過冷”的現象，實驗無法取得完美成功，這也是目前初中物理教育實驗中教學成功率很低的一個典型實驗。因此，很多教師都只會選擇通過觀看教學視頻或者按照教師講物理實驗的教學方式完成實驗教學，就更加不用說按照初中教參給出的教學建議讓學生自己分組進行完成。

一、海波熔化和凝固實驗中的常見問題及原因分析

1.海波熔化現象實驗時靠近試管壁的海波已經開始熔化，但由于海波內部溫度尚未完全到達熔點，熔化現象過程很不明顯且難以清晰地看到固液共存，溫度始終保持不變的熔化過程，即“過熱”現象。如果按照記錄出來的這些數據繪制成圖像后和非晶體材料（例如石蠟）熔化時溫度隨時間變化的一樣，造成學生不愿意相信教師和教材中說的“固液共存，不斷吸熱但溫度始終保持不變”的實驗現象的存在。

2.海波凝固時溫度下降很快，大大低于凝固點后又上升到凝固點，即發生“過冷”現象。記錄出來的數據繪制成圖像會很奇怪，比課本晶體凝固圖像多了一個“V”字形。

出現“過熱”現象導致這個實驗失敗的一個主要原因就是教師沒有很好地控制大燒杯中水的溫度，水溫連續上升快，短短的時間內試管壁海波的溫度就到達了熔點，然后海波就開始熔化了；而溫度計周圍的海波內吸收的熱量較少且溫度還沒有達到熔點，所以才會出現試管里的海波一直在熔化，溫度計的示數一直升溫的現象，在內部溫度上升至熔點后，所有晶體幾乎全部熔化，因而也就難以很好地觀察和看到海波熔化時“固液共存、不斷吸熱溫度始終保持不變”令人驚奇的過程。

出現“過冷”現象的原因有：由于海波純度太高導致凝固過程無凝結核，或雖有凝結核但由于攪拌不充分導致凝結核未均勻移動等。但是實際教學中由于海波熔化實驗成功率很低，很多教師不愿花費時間完成一個實驗現象可能與課本結論不一樣的操作，所以看不到海波凝固“過冷”現象；即使做了海波熔化實驗后做凝固實驗時看到了“過冷”現象，但覺得解釋給學生更麻煩，就干脆不做實驗，而是選擇用別人實驗成功的視頻或者照課本講。其實做海波凝固實驗時，當溫度降到50°C左右要不斷攪拌，特別是當看到有海波晶體析出時更需要攪拌，直到海波即將全部凝固時再停止。這樣才可以讓海波避免出現“過冷”現象，從而完美地呈現海波凝固時“固液共存，不斷放熱溫度始終保持不變”的現象。

二、海波熔化實驗教學的改進思路及措施

1.控制試管內外溫度差解決“過熱”現象

控制試管內外溫度差的關鍵是用小火加熱，減小海波內部的受熱不均問題。在實際教學中，筆者是這樣操作的。

首先選兩盞酒精燈，一盞火焰大些，一盞火焰要比較小。實驗采用水浴法加熱，燒杯的水要足夠多，便于溫度緩慢上升。先用火焰大的酒精燈對燒杯加熱，燒杯水溫在40°C以下時控制水與海波之間的溫差始終在小于5°C的范圍內；當水溫到45°C時改用火焰小的酒精燈對燒杯加熱，此時加熱的過程中密切關注水溫的變化，當水溫到達45°C要對水溫嚴格控制不可超過海波溫度的2°C；海波熔化過程要保持燒杯水溫在49°C -50°C最好。

2.提高操作性突破學生動手難題

教參中建議將海波進行研磨，實驗前先將海波研磨成粉，越細越好，使顆粒完全包裹住溫度計的下端，從而使測得的海波的溫度更為準確。教師做演示實驗可以采用，但是要開展學生分組實驗這個工作量就大了，而且讓學生會誤以為海波本來就是粉末狀的。

課本實驗裝置中海波、溫度計、攪拌棒是放在大試管中的，但是在實際操作中會發現，大試管內部空間太小，試管太深了，攪拌棒往往用細鐵線代替，攪拌時操作效果不理想，造成海波受熱不均勻，很容易出現“過熱”情況，導致實驗失敗。

如果用小燒杯代替大試管可以解決因攪拌難導致受熱不均問題。攪拌棒可改用小勺子，實驗時可以上下左右翻攪小燒杯中的海波，使其內部溫差減小。此時還要用鐵線制作一個可以固定小燒杯的三腳架的儀器，確保小燒杯在攪拌時保持穩定。

3.采用數字溫度計和投屏技術

實際課堂教學中，順利完成海波熔化實驗大概需要15～20分鐘，特別是在等待讀取數據時學生參與度通常是很低的，看不見溫度計液柱變化，看不清海波熔化狀態下的變化，所以建議有條件的學校可以將液體溫度計改用數字式溫度計，在演示時，只要把溫度計探頭插入海波中，溫度數值就能直接顯示在數字屏幕上，同時利用智能手機的視頻功能投屏到電子白板上，學生均能清晰看見。另外，教師還可以詳細記錄本次熔化實驗的整個過程，課后可以分析本次熔化實驗的成功之處和實驗失敗了的原因。

物理實驗課程的教學目標要求是不斷提高和培養學生的物理科學綜合素質，提高和培養學生科學綜合素養的能力關鍵在教師。物理教師更應該不斷努力，以提高自身的物理實驗教學素養。在平時面對物理教學過程中的困難，我們必須充分發揮自身的主觀能動性，突破物理教學中的瓶頸才能更上一層樓。筆者經歷了二十多年的實驗教學，前十多年每次實驗教學活動進行到本節課內容，都選擇用實驗完成，有成功但更多時候是實驗失敗。從而能充分體驗到學習物理這門學科給學生帶來的一種經歷性和探究性的過程，在實驗過程中不斷觀察、發現、思考、討論，在每次實驗中不斷發現驚奇、獲得全新知識，體驗成功的喜悅。

（作者單位：廣西賀州市實驗中學542899）