利用半導體制冰機完成水凝固和冰熔化實驗的研究

劉彩麗

【摘要】針對人教版物理八年級上冊第三章物態變化《第2節熔化和凝固》教材中實驗教學存在的問題及原因進行深入剖析，并利用半導體制冰機創新實驗教學，能有效地突破冰水混合時溫度不變的教學難點。

【關鍵詞】中學物理;半導體制冷片;導冷鋁塊;散熱器;實驗教學

一、教材中對實驗的處理和存在的困難

（一）關于教材的課標要求

“晶體熔化和凝固”是人教版物理八年級上冊第三章物態變化《第2節熔化和凝固》的重點難點，課標對“晶體熔化與凝固”實驗的要求是通過探究實驗，記錄晶體在熔化和凝固過程中的溫度變化，利用數據繪制圖象，學會用圖象分析的方法得出物理規律，即晶體在熔化或凝固過程中雖然會吸熱或放熱但都能保持溫度不變的特點。

（二）教材對這個實驗的處理

為了突破“晶體熔化時溫度不變”這一教學重點難點，人教版教材選用的晶體是海波，裝置如圖1所示，可是在實際課堂演示實驗操作過程中很難得到海波熔化過程溫度不變的理想數據，經常出現要么海波熔化時間很短，要么海波吸熱溫度上升的現象。實驗數據不支持實驗結論，實驗教學難以進行。對于凝固，課本沒有液體凝固形成晶體的實驗，而是直接給出晶體凝固圖象，課本的表述是“液體凝固形成晶體時也有確定的溫度，這個溫度叫做凝固點。同一種物質的凝固點和它的熔點相同。”讓學生從凝固時溫度隨時間變化曲線得出規律。

（三）教材實驗中存在的困難

利用海波做晶體熔化實驗，教師最擔心的問題是本次實驗中的海波是否能在熔化過程中保持一定時間（最好有3分鐘）溫度不變，這樣描繪出來的圖象才比較理想。海波為什么在熔化過程中溫度發生變化呢？原因大概有三個：一是實驗室購買的海波純凈度不夠;二是裝海波的藥品罐密封性不好，海波容易受潮;三是加熱海波用的是水浴法，沈陳老師指出大燒杯與小試管之間的溫差必須控制在5℃以內，實驗現象才比較明顯。而且要準備多支溫度計測量大燒杯的水溫，初溫控制在37℃左右，因為大燒杯的水溫過冷會加長實驗時間，過熱會導致海波熔化的時間大大縮短，所以教師必須準確調制好大燒杯的水溫，這無疑是教師課前實驗準備的一個負擔，比較難掌控好。本文介紹的是利用半導體制冰機對實驗進行創新改進，選用水和冰做實驗，凸顯冰水混合時溫度不變的特點。

二、水凝固和冰熔化實驗教學方案

（一）先做水凝固實驗再做冰熔化實驗

一般教學過程的處理都是由熔化直接進行推導得出晶體凝固時溫度也是不變的，同種晶體的熔點和凝固點相同這個知識點。但這樣處理說服力不強，學生印象不深，理解也不透徹。筆者利用半導體制冰機先做水凝固實驗，接著做冰熔化實驗，這樣既符合半導體制冰機的使用特點，也能夠使學生觀察到水凝固成冰冰熔化成水的過程，并在實驗過程中測量記錄溫度隨時間變化數據，利用圖像分析法理解晶體在凝固和熔化時的溫度不變的特點，認識發生物態變化時溫度隨時間變化規律及觀察對應的狀態的變化，突破冰水混合時溫度不變的教學難點。

（二）半導體制冰機的制作方法

方軍老師指出利用冰凍鹽水作為“冷源”可以實現水凝固結冰過程，并能測出結冰過程中0℃以下的溫度。但是這冰凍鹽水應如何儲存？到底能儲存多長時間？實驗不僅要提前一天準備，而且萬一冰凍鹽水在上課前熔化就很難在短時間內再重新凝固，實驗教學無法進行了。蔣馨雅和桑芝芳老師指出，“從實驗安全、實驗材料的普及性以及操作難度角度來說冰的確是最佳的選擇。”本文提到的半導體制冰機可以隨時隨地使水快速凝固，半導體制冰機主要由12V半導體制冷片（如圖2所示）、導冷鋁塊（如圖3所示）、散熱器（如圖4所示）、220V轉換12V直流電源（如圖5所示）組成，是一個方便快捷的制冷裝置。

制作步驟：

①在半導體制冷片上下表面均勻薄薄涂上硅脂。

②導冷鋁塊和亞克力板用玻璃膠粘合一起做成水槽，注意導冷鋁塊中間的鋁片要掰彎，方便放入溫度計的玻璃泡，水槽要提前做好，如圖6所示。

③水槽與半導體制冷片有字面接觸。

④半導體制冷片無字面與散熱器接觸，并用4個塑料螺絲長釘將水槽、制冷片及散熱器固定。

⑤半導體制冷片與散熱器并聯接在220V轉換12V直流電源，這樣就做成一臺半導體制冰機，實驗裝置如圖7所示。

⑥實驗用的溫度計是利用寒暑表改裝的，方便讀取0℃以下的溫度。

三、利用半導體制冰機創新實驗教學

（一）水凝固和冰熔化實驗教學步驟

①準備計時器、水，將水倒入制冰機水槽，放入溫度計，然后接通電源，觀察溫度計示數變化，待水溫降到20℃時開始計時。

②每隔1分鐘記錄一次示數，約3分鐘水溫度降到0℃開始凝固，再過4分鐘左右可使水完全結冰，凝固過程直觀明顯，簡便快捷。

③水凝固成冰后，溫度繼續下降，再繼續實驗3分鐘，整個過程需要10分鐘左右。

④保持半導體制冰機繼續工作，待冰溫度在-8℃左右斷開電源，開始計時并記錄溫度，做冰熔化實驗。

⑤每隔1分鐘記錄一次示數，約1分鐘冰溫度升到0℃開始熔化，再過4分鐘左右可使冰完全熔化（如果覺得時間過長可以用電吹風對著導冷鋁塊底部吹熱風），熔化過程直觀明顯，簡便快捷。

⑥冰熔化成水后，溫度繼續上升，再繼續實驗3分鐘，整個過程需要8分鐘左右。

（二）實驗數據與圖像

如表1是通過讀取溫度計示數收集到的水凝固過程中的實驗數據及觀察到的實驗現象。

如表2是通過讀取溫度計示數收集到的冰熔化過程中的實驗數據及觀察到的實驗現象。

根據實驗數據描繪出水凝固時溫度隨時間變化圖象線如圖8所示，冰熔化時溫度溫度隨時間變化圖象如圖9所示。

（三）實驗結果

分析以上實驗數據和圖像可知，水凝固和冰熔化過程中，冰水混合物溫度保持在0℃不變，實驗數據穩定準確、真實有效，由于水凝固過程和冰熔化過程時間較長，所以描繪出的溫度隨時間變化圖像很理想，突破冰水混合時溫度不變的教學難點并使學生直觀看到同一種物質的凝固點和它的熔點相同。