馮 楠
(銀川市第十三中學(xué),寧夏 銀川 750021)
自然界中的水有固、液、氣3種形態(tài),水的物態(tài)變化是初中物理教學(xué)的重要研究課題.冰熔化和水凝固實驗需要在特定溫度條件開展,難以在課堂中展現(xiàn).
本文提出2種方案,主要研究冰熔化和水凝固時的溫度變化情況.第1種采用冰熔化和水凝固實驗器與傳感器、計算機(jī)組合獲取實驗圖像,得出實驗結(jié)果.第2種采用冷凍鹽水、西林瓶、自來水、電子溫度計組合,觀察水凝固與冰熔化過程的物態(tài)變化并記錄實驗溫度,繪制圖像,得出結(jié)論.
兩種方案均可將讓冰熔化和水凝固實驗帶入課堂,使學(xué)生體會物理學(xué)的魅力,同時在活動中體驗合作探究過程,提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).
相比傳統(tǒng)的物理實驗器材,傳感器的應(yīng)用可實現(xiàn)實驗過程“可視化”,數(shù)據(jù)采集“精準(zhǔn)化”,數(shù)據(jù)處理“智能化”,實驗教學(xué)“數(shù)字化”.
如圖1所示,冰熔化和水凝固實驗器內(nèi)置溫度傳感器、風(fēng)扇、制冷片、冷凍艙.通電后水降溫凝固成冰,斷開電源冰升溫熔化成水.采用數(shù)據(jù)采集器連續(xù)采集實驗過程的溫度變化情況并繪制溫度-時間曲線.
圖1 水凝固和冰熔化實驗器
(1)如圖2所示,采用HDMI數(shù)據(jù)線連接冰熔化和水凝固實驗器、數(shù)據(jù)采集器,采用USB數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī).
圖2 儀器連接
(2)打開軟件,自動識別傳感器,選擇菜單欄“采集參數(shù)”.頻率設(shè)計為1點/s,“限定時間”選3 min,點擊“確定”.
(3)在冰熔化和水凝固實驗器中加入幾滴純凈水(水位沒過溫度傳感器的感溫探頭).
(4)點擊菜單欄“開始”按鈕,接通電源,制冷片開始工作,一段時間后肉眼可見水瞬間結(jié)冰.如圖5所示,數(shù)據(jù)樣本顯示在視窗左側(cè),時間溫度曲線顯示在視窗右側(cè).
(5)觀察水凝固過程制冰腔中水的透明度與時間溫度曲線關(guān)系,當(dāng)溫度下降到零下某個值時,水完全凝固(如圖3、圖4所示).
圖3 冰水混合物
圖4 水完全凝固成冰
(6)斷開實驗器電源,溫度上升冰逐漸熔化,直至采集時間3 min完成為止.
如圖5所示的實驗曲線,縱軸為溫度,橫軸為采樣時間.根據(jù)實驗過程物態(tài)不同,實驗曲線可分為AC、DE、EG、GH、HI 5部分.其中AC段為液態(tài)水,DE段為冰水混合物,EG段為固態(tài)冰,GH段為冰水混合物,HI段為液態(tài)水.從實驗中發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度第1次下降到0℃時(B點),水并未結(jié)冰,直至溫度下降到零下的一個溫度值時(C點),溫度迅速上升至0℃(CD段),溫度第2次回至0℃時,觀察到水立即凝固成冰(DE段),此時冰的溫度繼續(xù)下降(EF段).斷開實驗器電源,制冷片停止工作,冰的溫度上升(FG段),到達(dá)零攝氏度(G點)時,冰開始熔化,溫度保持在零攝氏度不再升高,(GH段)直至冰完全熔化為水,溫度再次升高(HI段).
圖5 水凝固和冰熔化過程時間溫度曲線
實驗過程中發(fā)現(xiàn),水的溫度降至0℃時未凝固,繼續(xù)降溫至-4.8℃時水仍未凝固.下一秒水溫回升至0℃時初始冰晶生成,結(jié)冰過程耗時4 s.物理學(xué)把液態(tài)物質(zhì)在溫度降低至凝固點而仍不發(fā)生凝固或結(jié)晶等相變的現(xiàn)象稱為過冷狀態(tài).
(1)過冷現(xiàn)象.
問題1:水凝固實驗過程中,為什么水的溫度降至0℃時未凝固,繼續(xù)降溫至-4.8℃時仍未凝固?
從微觀的角度分析,液態(tài)的水分子介于有序與無序之間的狀態(tài),冰塊中的水分子是有序排列的結(jié)構(gòu).當(dāng)水將要結(jié)成冰時,必需先有一些微小的冰晶做“核心”,水分子才容易圍繞這些核心不斷地排列起來,形成冰塊.在純凈水中,由于缺少冰核,故溫度降至0℃以下,水仍未凝固.
問題2:為什么水凝固成冰的過程中溫度一直保持在0℃?
水凝固成冰的過程是液態(tài)水—冰水混合物—冰相互轉(zhuǎn)化的過程,該過程屬于放熱過程.實驗過程中水不斷凝固放熱,冷凍艙不斷降溫吸熱,吸熱—放熱平衡,溫度保持不變直至水完全凝固成冰.攝氏溫標(biāo)把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度規(guī)定為0℃,因此水凝固成冰的過程中溫度一直保持在0℃.
問題3:為什么冷凍艙中的水完全凝固成冰后溫度—時間曲線近似直線下降?
水完全凝固成冰后放熱過程終止,吸熱—放熱平衡被打破,受冷凍艙降溫作用的影響,冰的溫度—時間曲線近似直線下降.
問題4:水為什么會產(chǎn)生過冷現(xiàn)象,如何使過冷的水結(jié)成冰?
天然水中含有許多極其微小的懸浮物或者因冷卻過程緩慢,細(xì)小的冰晶很容易產(chǎn)生,結(jié)冰并不困難.如圖6、圖7所示,為水的微觀結(jié)構(gòu)圖和冰的微觀結(jié)構(gòu)圖,極純的水在快速冷卻時,不容易產(chǎn)生冰晶.雖然溫度已降至0℃以下,由于缺乏“晶核”,水分子不能有序排列凝固成冰晶,就出現(xiàn)了過冷現(xiàn)象.
圖6 水的微觀結(jié)構(gòu)圖
圖7 冰的微觀結(jié)構(gòu)圖
過冷水是極不穩(wěn)定的,只要給與輕微擾動(例如振動、輕微觸碰、加入顆粒物等),水就會立即凝固形成大塊冰晶.
(2)凝固點和熔點.
① 凝固點:水在過冷現(xiàn)象完成之后,溫度變化經(jīng)歷了第一個平臺期(DE段),這說明水在凝固過程中有一個固定的溫度,叫做凝固點.水要達(dá)到凝固點時,要繼續(xù)降低環(huán)境溫度,水向外放熱才能凝固,這說明水凝固成冰需要兩個條件,達(dá)到凝固點,持續(xù)放熱.
② 熔點:當(dāng)冰的溫度降低到-7℃時,斷開演示器電源,冰的溫度持續(xù)上升,直至達(dá)到0℃,冰開始熔化,此后,經(jīng)歷第2個平臺期(GH段),溫度不再上升,此時的狀態(tài)為固液共存態(tài),這說明冰在熔化過程中有一個固定的溫度,稱作熔點.冰在熔化時需要兩個必備條件,達(dá)到熔點,繼續(xù)吸熱,但溫度不變.
為了更準(zhǔn)確地研究過冷現(xiàn)象,用非純凈水(在普通自來水中加入一滴藍(lán)墨水)重復(fù)以上實驗,得出實驗圖像如圖8所示.
如圖8所示,在AB段,水的溫度降低,溫度降低至B點時,略微回升,經(jīng)歷第1個平臺期(BC段),水開始凝固,當(dāng)水完全凝固成冰,在制冷片的作用下,冰的溫度繼續(xù)降低.在BC段,發(fā)現(xiàn)只是略微的回升,得出非純凈水的過冷現(xiàn)象并不明顯.由于加入了一滴藍(lán)墨水,非純凈水的熔點和凝固點均略高于0℃.分析原因,在非純凈水中有許多微小的懸浮物,在溫度降低到凝固點時,容易形成冰核,冰分子以此為核心整齊地排列成有序結(jié)構(gòu).
圖8 非純凈水凝固和冰熔化溫度變化圖像
在沒有傳感器的情況下,如何讓水凝固和冰熔化的實驗走進(jìn)物理課堂,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,解決問題的科學(xué)思維.下文用更簡便的器材讓學(xué)生體驗生活中的物理,學(xué)習(xí)感受生活處處有物理.
冰鹽水(在冰箱冷凍室放置一天)、小瓶清水、熱水、鐵架臺、數(shù)字溫度計、燒杯、計算機(jī).
(1)純凈水凝固.
① 如圖9所示,組裝實驗器材,手機(jī)實時記錄溫度隨時間的變化.在燒杯中倒入適量冰鹽水(溫度是-16.7℃)
圖9 非純凈水凝固成冰系列圖片
② 將裝有純凈水的小瓶放置于冰鹽水中,插入數(shù)字溫度計,打開手機(jī)錄像,觀察溫度變化及水的狀態(tài).
根據(jù)錄像視頻,每隔10 s取溫度值,數(shù)據(jù)記錄如表1,在EXCLE中輸入數(shù)據(jù),繪制溫度隨時間變化的曲線(如圖10所示).
表1 純凈水凝固溫度變化圖像
圖10 純凈水凝固溫度變化圖像
從數(shù)據(jù)和圖像中均得出純凈水在凝固時,有過冷現(xiàn)象產(chǎn)生.純凈水的過冷溫度可達(dá)-5.2℃,輕微晃動溫度計,水立即結(jié)冰,溫度迅速回到0℃,隨后溫度不變,直到水完全結(jié)冰,溫度再次下降.為了進(jìn)一步研究過冷現(xiàn)象是否是純凈水凝固所特有的現(xiàn)象,在純凈水中加入一滴藍(lán)墨水,重復(fù)以上實驗,數(shù)據(jù)記錄如表2,繪制非純凈水凝固溫度變化圖像如圖11.
圖11 非純凈水凝固溫度變化圖像
表2 非純凈水凝固溫度變化圖像
從實驗數(shù)據(jù)和圖像可知,非純凈水在凝固時,過冷現(xiàn)象并不明顯,與方案一中用傳感器分析的數(shù)據(jù)一致.
水凝固成冰和冰熔化成水的實驗,解決水的凝固和冰的熔化所需的低溫環(huán)境的因素,方便、快捷的在課堂中進(jìn)行實驗,展現(xiàn)出各方面的優(yōu)勢.
(1)提高課堂教學(xué)效率.
利用傳感器進(jìn)行實驗,可在較短的時間完成水凝固和冰熔化的實驗,提高課堂教學(xué)效率,使學(xué)生在有限的時間內(nèi),達(dá)到學(xué)習(xí)效率的最大化.
(2)提高學(xué)生的合作探究能力.
通過小組合作、師生合作,發(fā)揮學(xué)生的主動性和自主性.改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師講,學(xué)生聽,課堂氣氛沉悶,教學(xué)效果低下的局面,創(chuàng)設(shè)活動,學(xué)生自主探究,組內(nèi)討論、組間交流,喚醒學(xué)生的主體意識,激活思維,使學(xué)生真正參與到課堂中,提高了學(xué)生的合作探究能力.
(3)理論聯(lián)系生活,體現(xiàn)物理與生活的聯(lián)系.
水結(jié)冰學(xué)生非常熟悉,但是水結(jié)冰的溫度變化,所需的條件及過冷現(xiàn)象的產(chǎn)生,學(xué)生比較陌生.將水結(jié)冰的實驗引入課堂,充分體驗出物理與生活的聯(lián)系,從而培養(yǎng)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理,將物理應(yīng)用于生活的能力.