基于用DIS系統(tǒng)對(duì)晶體凝固和熔化的研究

陳曉艷

(昌寧縣耈街民族中學(xué)云南 保山678000)

摘 要：本文采用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)對(duì)晶體的熔化與凝固實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究．在按照初中物理教材的實(shí)驗(yàn)安排，用海波水浴加熱法測(cè)量晶體的熔化曲線的基礎(chǔ)上，本文做了兩個(gè)改進(jìn)，一是選擇用水替代海波，先讓水凝固成冰，然后再利用空氣浴法讓冰在空氣中自然熔化，從而測(cè)量冰的凝固與熔化過程溫度-時(shí)間曲線(即凝固曲線和熔化曲線)，全程觀察冰的凝固與熔化過程其溫度及狀態(tài)的變化；二是采用DIS溫度傳感器來替代液體溫度計(jì)人工測(cè)量溫度，實(shí)時(shí)記錄了冰的凝固曲線和熔化曲線．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采取上述改進(jìn)后，既提高了該實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性、可靠性和直觀性，也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說服力．

關(guān)鍵詞：晶體凝固熔化凝固曲線熔化曲線

收稿日期：(2015-04-26)

晶體的熔化與凝固是初中物理中要觀察的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)中學(xué)生首次接觸到用圖像法來處理物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù) ，從而來尋找其變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn) ，通過該實(shí)驗(yàn) ，學(xué)生明白了圖像法是一種直觀的表示物理量變化的方法 ，所以做好該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫嘏囵B(yǎng)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng) ，并能使他們深刻理解熔化曲線和凝固曲線的物理含義．

傳統(tǒng)的做法是采用液體溫度計(jì)來測(cè)量溫度，在本文中我們嘗試引入DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)溫度傳感器，實(shí)時(shí)記錄了溫度-時(shí)間曲線，對(duì)測(cè)定晶體凝固和熔化曲線進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定可知，此測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行且精確度高．

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

讓自來水在冰的作用下凝固成冰，通過溫度傳感器記錄采集數(shù)據(jù)，DIS系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)顯示凝固和熔化曲線．

如圖1所示，把事先凍好的冰塊從冰箱里取出來，弄成碎冰撒上一些鹽，要撒得均勻，把碎冰放在燒杯里．將鐵架臺(tái)放在水平桌面上，再將燒杯放在鐵架臺(tái)的底座上．將盛有自來水的試管固定在試管夾上，調(diào)整試管夾的高度，使試管的底部不與燒杯底部接觸，且燒杯中的冰面稍微高于試管中的水面．調(diào)整溫度傳感器的位置，使溫度傳感器的探頭能接近試管的底部，但不與試管的底部接觸．將溫度傳感器連接到DIS數(shù)據(jù)采集器上，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，處理軟件為DISLab系統(tǒng)通用軟件．

圖1　測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2理論分析

晶體在熔化過程中有固定的熔化溫度——熔點(diǎn)(或凝固點(diǎn))．晶體熔化過程分為3個(gè)階段：第一階段AB段，熔化開始前，通過對(duì)晶體加熱，晶體吸收熱量，溫度升高，仍處于固態(tài)；第二階段BC段，熔化過程，繼續(xù)對(duì)晶體加熱，當(dāng)晶體的溫度升高到一定值時(shí)，晶體開始熔化，在熔化過程中，晶體的溫度保持不變，此時(shí)晶體處于固液共存狀態(tài)；第三階段CD段，熔化結(jié)束后，晶體由固態(tài)全部轉(zhuǎn)化成液態(tài)，繼續(xù)加熱，溫度升高，如圖2所示.

圖2　晶體熔化的溫度-時(shí)間曲線

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)圖1連接好實(shí)驗(yàn)裝置，試管內(nèi)水的溫度開始下降，數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)DISLab系統(tǒng)通用軟件處理后，可以得到水凝固和冰熔化的溫度-時(shí)間曲線，如圖3所示．

圖3　水的凝固與冰熔化的溫度-時(shí)間曲線

自來水的初溫是23℃，在燒杯內(nèi)冰的冰凍作用下，溫度開始下降，AB段溫度一直下降，溫度達(dá)到0℃；在此之后溫度還在下降，B點(diǎn)溫度達(dá)到零下1℃，BC段溫度保持在零下1℃左右不變，處于凝固狀態(tài)；C點(diǎn)自來水完全凍成冰，溫度開始下降，CE段溫度一直下降，溫度下降到零下14℃．把試管從燒杯中取出之后，ED段溫度開始升高，D點(diǎn)溫度達(dá)到零下1℃，冰開始熔化；DF段溫度保持在零下1℃左右不變，處熔化狀態(tài)；F點(diǎn)溫度開始升高，F(xiàn)G段溫度隨時(shí)間升高，G點(diǎn)溫度達(dá)到20℃．見表1和表2所示．

3.1自來水凝固溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)表

表1　自來水凝固溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)表　初始溫度23℃

3.2冰熔化溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)表

表2　冰熔化溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)表　初始溫度-14℃

3.3用冰做實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

用海波做實(shí)驗(yàn)材料不易得到，對(duì)實(shí)驗(yàn)后的試管也較難清洗，恒溫部分持續(xù)時(shí)間較短．相比之下，用冰做的效果比較好，恒溫部分溫度保持不變，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，恒溫現(xiàn)象非常明顯．此外，用冰做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用材料水、食鹽均容易得到．

3.4誤差原因分析

冰的熔點(diǎn)比理論上給出的0℃低一些，在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的熔點(diǎn)是零下1℃左右，主要原因是：結(jié)成冰的水的純凈度對(duì)冰的熔點(diǎn)有一定的影響．

4結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)對(duì)晶體的熔化與凝固過程的規(guī)律進(jìn)行了研究，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，做出了3個(gè)方面的改進(jìn)：從實(shí)驗(yàn)材料上，是選擇用冰替代海波，材料易得，成本較低，實(shí)驗(yàn)后方便清理；從實(shí)驗(yàn)順序上，是先讓水凝固成冰，然后再利用空氣浴法讓冰在空氣中自然熔化，即先觀測(cè)水的凝固過程，再觀測(cè)冰的熔化過程，全程觀察水的凝固與冰的熔化過程其溫度及狀態(tài)的變化；從溫度的測(cè)量上，是采用溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量溫度來替代液體溫度計(jì)人工測(cè)量溫度．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采取上述3個(gè)方面的改進(jìn)后，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量記錄自來水的凝固曲線和冰的熔化曲線，準(zhǔn)確呈現(xiàn)了冰在熔化和凝固過程保持熔點(diǎn)溫度不隨時(shí)間改變這一規(guī)律，因而大幅提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性、可靠性和直觀性，也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說服力．這表明本文所采取的上述實(shí)驗(yàn)嘗試是可行的和成功的．在初中物理教學(xué)中采用此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示或探究，還可以為學(xué)生成功探究晶體的熔化和凝固過程的規(guī)律創(chuàng)造條件．

參 考 文 獻(xiàn)

1秦允豪. 熱學(xué)(第二版).北京：高等教育出版社，1990

2劉慶云.用水做冰熔化和凝固實(shí)驗(yàn).物理實(shí)驗(yàn)，1999(1)

3許國(guó)梁.中學(xué)物理教學(xué)法.北京：高等教育出版社，1993