摘 要：在初中物理教學(xué)中，探究晶體熔化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)通常會(huì)選用海波作為實(shí)驗(yàn)材料。然而，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，往往會(huì)因?qū)嵝圆詈褪軣岵痪鶆虻葐?wèn)題，導(dǎo)致實(shí)際繪制的海波熔化過(guò)程溫度曲線與理論曲線存在較大差異。本研究采用Arduino開(kāi)發(fā)板、振動(dòng)電機(jī)、溫度傳感器等元件自制了一款新型教具，并在實(shí)際教學(xué)中用此教具對(duì)“海波的熔化”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：海波熔化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；溫度傳感器；自制教具。

1 問(wèn)題來(lái)源

目前，很多初中物理教材中都提到了使用海波（硫代硫酸鈉）進(jìn)行探究晶體熔化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。這些教材普遍建議采用水浴加熱方式以確保海波受熱均勻，如圖1所示。然而，在實(shí)際教學(xué)中，如果完全按照教材中的裝置和步驟操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，往往難以得到與理論相符的結(jié)論。以下是導(dǎo)致這種情況的幾個(gè)原因。

原因1：海波導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致試管壁上的海波往往最先熔化，內(nèi)外海波熔化不同步。

原因2：實(shí)驗(yàn)室使用的溫度計(jì)精確度不高，分度值為1℃，不能精準(zhǔn)反應(yīng)溫度的變化。

原因3：隨著海波熔化，液面下降，溫度計(jì)玻璃泡未能浸沒(méi)在液態(tài)的海波中，玻璃泡未與“固液共存”狀態(tài)下的海波充分接觸，［1］導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)定出對(duì)應(yīng)的溫度。

原因4：在水浴加熱的過(guò)程中，為了解決海波受熱不均勻的問(wèn)題，可以使用玻璃棒或改良的螺旋細(xì)鐵絲圈進(jìn)行攪拌。然而，由于試管口徑較窄，攪拌操作較為困難，這通常導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。［2］

原因5：人工記錄溫度時(shí)容易產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)間不匹配。此外，由于該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，人工實(shí)時(shí)記錄常常會(huì)影響上課進(jìn)度。

基于以上問(wèn)題，作者使用Arduino開(kāi)發(fā)板制作了一款電子溫度計(jì)。通過(guò)新增振動(dòng)器和限位器解決了海波受熱不均勻和溫度計(jì)接觸不充分等問(wèn)題，從而顯著提高了實(shí)驗(yàn)的精確度。這一改進(jìn)不僅有助于學(xué)生更好地理解和驗(yàn)證理論知識(shí)［3］，而且減少了人工干預(yù)和測(cè)量誤差，進(jìn)一步增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

2 教具制作

2.1 所需器材

Arduino開(kāi)發(fā)板、數(shù)據(jù)傳輸線、DS18B20溫度傳感器模塊、OLED液晶顯示屏、開(kāi)關(guān)、振動(dòng)電機(jī)模塊、電阻、面包板、限位模塊、橡皮筋、亞克力板若干、連接線若干。

2.2 搭建器材

圖2展示了自制教具模型的簡(jiǎn)圖。該教具模型主要由控制模塊、振動(dòng)模塊、溫度采集模塊三部分構(gòu)成。

2.2.1 控制模塊

控制模塊的核心是Arduino開(kāi)發(fā)板，它與電源、開(kāi)關(guān)以及液晶顯示屏等組件一起構(gòu)成了整個(gè)裝置。Arduino開(kāi)發(fā)板的主要功能是采集溫度傳感器模塊實(shí)時(shí)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至電腦端。同時(shí)，它還將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，使學(xué)生能夠直觀地觀察溫度的變化過(guò)程。該模塊的設(shè)計(jì)旨在增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視化效果和數(shù)據(jù)精確度。［4］

2.2.2 振動(dòng)模塊

振動(dòng)模塊由電動(dòng)機(jī)、偏心輪和固定外殼等部件組成。該模塊采用電機(jī)振動(dòng)來(lái)替代傳統(tǒng)的人工攪拌，有效減少了人為操作可能導(dǎo)致的誤差。此外，通過(guò)振動(dòng)模塊的作用，使晶體的熔化能夠更加均勻，從而進(jìn)一步提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.2.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊（如圖3所示）由溫度傳感器、一個(gè)限位裝置1和兩個(gè)限位裝置2組成。這些限位裝置的作用是將溫度傳感器固定在特定位置，以避免傳感器與試管內(nèi)壁及試管底部接觸。所有限位裝置均采用橡膠材質(zhì)，這樣不僅起到了限位的作用，還能夠減輕傳感器的振動(dòng)，進(jìn)一步提高了測(cè)溫的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)步驟及改進(jìn)效果

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1.1 研磨海波

由于海波在空氣中易被氧化，應(yīng)將海波晶體包裹在紙中，然后研磨成粉末狀。這樣做不僅有助于海波受熱更加均勻，還可以縮短實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間。

3.1.2 安裝溫度傳感器

將溫度傳感器插入試管中，位置應(yīng)靠近試管底部，以確保傳感器能夠準(zhǔn)確采集到固液共存狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)。

3.1.3 安裝振動(dòng)電機(jī)

使用橡皮筋和掛鉤將振動(dòng)電機(jī)固定在試管口附近，通過(guò)電機(jī)的振動(dòng)使海波受熱更加均勻，同時(shí)也避免了繁瑣的人工攪拌過(guò)程。

3.1.4 搭建裝置

根據(jù)實(shí)物圖（如圖4所示）搭建實(shí)驗(yàn)裝置。將Arduino開(kāi)發(fā)板連接到計(jì)算機(jī)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后打開(kāi)相應(yīng)的操作界面以監(jiān)測(cè)溫度變化。

3.2 改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)分析

將溫度傳感器實(shí)時(shí)收集到的海波熔化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為熔化溫度曲線，如圖 5所示，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然很穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程，我們可以分析得出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的如下優(yōu)勢(shì)。

第一，在教材中原有的裝置基礎(chǔ)上增加了一個(gè)偏心振動(dòng)裝置。該裝置通過(guò)穩(wěn)定的高頻率振動(dòng)，有效地促進(jìn)了海波均勻受熱。相比傳統(tǒng)的人工攪拌方式，這個(gè)偏心振動(dòng)裝置增加了有效碰撞的次數(shù)，從而使受熱更均勻。同時(shí)，使用這個(gè)裝置也降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度，讓實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加輕松。

第二，在普通試管中引入了限位器。其主要作用是防止溫度傳感器的探頭觸碰到試管的側(cè)壁和底部。同時(shí)，隨著海波的熔化，限位器也會(huì)在重力的作用下自動(dòng)下降，以確保傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量到處于固液共存狀態(tài)下的海波的溫度。這個(gè)限位器的設(shè)計(jì)大大提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

第三，相比于教材中的活動(dòng)步驟——“待溫度升高到40℃，每隔0.5min記錄一次溫度”，采用Arduino開(kāi)發(fā)板自制的電子溫度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)每5s（時(shí)間間隔可根據(jù)需求自由設(shè)定）將溫度實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，并將采集到的實(shí)時(shí)溫度傳輸至電腦端，以生成熔化過(guò)程的圖像。通過(guò)這些圖像，我們能夠直觀地觀察到海波熔化過(guò)程中存在一個(gè)平穩(wěn)的階段。這一階段的溫度保持在47～48℃之間，持續(xù)時(shí)間約為3min，這與理論預(yù)期相符。這個(gè)改進(jìn)提高了實(shí)驗(yàn)的精確性和可視性。

第四，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)（分度值為1℃）相比，溫度傳感器（分度值為0.01℃）具有更高的測(cè)量精度，能夠更精確地測(cè)量溫度，更貼近實(shí)際情況。這一改進(jìn)提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，有助于更準(zhǔn)確地分析和理解熔化過(guò)程中的溫度變化。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的要求，信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合非常重要。［5］同時(shí)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》還鼓勵(lì)教師積極參與自制教具、改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)的工作。［6］

在這一背景下，筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和前人的研究成果，對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了深入分析，并通過(guò)自制教具改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置。這些改進(jìn)使得原本較為繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)也使實(shí)驗(yàn)效果更加直觀。將信息技術(shù)與物理教學(xué)相融合的過(guò)程，不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量［7］，還展示了教師在信息技術(shù)和教育領(lǐng)域積極探索與實(shí)踐的成果。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡啟仙.海波熔化實(shí)驗(yàn)的兩點(diǎn)改進(jìn)［J］.物理教師，2007，28（10）：31-32.

［2］李臣.海波熔化實(shí)驗(yàn)失敗原因與成功改進(jìn)［J］.中學(xué)物理（初中版），2018，36（5）：17-19.

［3］張偉，羅星凱.物理自制教具及其實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特教育功能探究［J］.物理教師，1995（6）：1-3.

［4］孟湘蓮.利用DIS改進(jìn)海波熔化實(shí)驗(yàn)［J］.物理教學(xué)，2021，43（4）：24-25.

［5］［6］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：43，55.

［7］沙琦波，陳心怡.核心素養(yǎng)導(dǎo)向下信息技術(shù)與初中物理教學(xué)的融合探索——以“物體的內(nèi)能”為例［J］.物理教師，2022，43（3）：40-43.