晶体熔化和凝固实验的改进

任俊仙

（太原师范学院 物理系，山西 太原030031）

1 引 言

晶体的熔化和凝固是中学物理中比较重要的探究实验．但由于影响该实验的因素较多，又受到课堂时间的限制，所以实验常常失败，失败的主要原因是：因为该实验中采用的晶体是热的不良导体，加热过程中试管不同部位的晶体温差较大．靠近试管壁的晶体已经熔化，而试管中部的晶体其温度还低于熔点．若温度计插在这个位置，当然指示的温度也低于熔点．而一旦试管中的晶体开始熔化，变成液态后，由于液态晶体产生了对流，热传递的速率大大加强，使得剩余的晶体很快就熔化，结果得不到理想的温度保持不变的过程，也就很难得出晶体熔化时温度保持不变的结论．另外，晶体纯度不高，过冷现象等也是造成实验失败的原因．

针对这些情况，很多物理教学工作者已做过大量探讨，都在不断的改进，已经取得很大的进步，主要的改进如下：

1）为了便于控制晶体热传递的速度，选用大的试管（装晶体的量大并便于搅拌）和烧杯（水的热容量大热源较稳定）．

2）为了改善晶体的导热状况，必须充分搅拌，故需要改进搅拌器．

3）为防止试管内热量的耗散和便于固定温度计与搅拌器，试管口加封橡皮塞，塞上钻2个孔，分别插温度计和搅拌器，并选定适宜的测温点．

4）为了缩短实验时间，做熔化和凝固实验时分别在烧杯中加入一定温度的水．

5）为了克服海波在凝固过程中的过冷现象，可在凝固前（如海波温度降到49℃）加入少许粉状海波，以增加凝聚核，即能诱发结晶．

6）选用高纯度的晶体做实验．

2 实验的改进

在以上改进措施的基础上，笔者采用了间歇式加热的方法来探究晶体的熔化和凝固实验，效果很好．

2．1 实验原理

间歇式加热方法主要是根据分析温度计的原理而得来的．液体温度计是利用液体的热胀冷缩原理工作的，当温度计的玻璃泡与被测物接触时，玻璃泡内的工作物质与被测物发生热交换，工作物质的温度发生变化引起体积变化显示温度，当二者之间达到热平衡时，温度计的读数等于被测物质的温度值，这时温度的读数才是正确的．在以上改进的实验中，由于与工作物质的热交换需要一定的时间而被测物的温度又是持续上升的，二者之间一直没有达到热平衡．也就是说温度计的读数是工作物质本身的温度，不是当时被测物的即时温度．

2．2 实验方法

间歇式加热的方法，即每次加热0．5 min后撤去火焰，观测温度计读数，直到温度计稳定后，读出结果．如此继续进行下去，直到晶体熔化可连续加热，此时晶液温度不再变化．温度计内的工作物质与晶液始终保持热平衡．这种间歇式加热方法的特征是每次温度计的读数是温度计的工作物质与被测物达到热平衡时的读数，即温度计的读数等于晶体的温度值．

2．3 实验结果

表1～2是分别用2种实验方法得到的海波的熔化和凝固实验的温度随时间的变化结果，其中t为加热时间，θ连为连续式加热温度，θ间为间歇式加热温度，θ为海波的温度．海波熔化和凝固曲线如图1所示．

表1 熔化过程温度随时间的变化

表2 凝固过程温度随时间的变化

图1 海波溶化凝固曲线图

2．4 结果分析

由以上结果可以看出：连续式加热使晶体熔化了，但温度计读数还没达到熔点，而间歇式加热时，温度达到熔点（48℃）时，海波熔化．还可以看到在熔化过程中，相应时刻间歇式加热得到的温度值大于连续式加热得到的温度值．二者的差值是撤去火焰后温度计继续上升的温度．可见，温度计与被测物质达到热平衡需要一定的时间．

3 结束语

间歇式加热的方法可以客观地反映晶体熔化和凝固的规律，不仅实验结果精确度高，实验速度快，而且实验仪器价格低廉，取材方便．

［1］ 刘科．萘的熔化和凝固实验的改进［J］．物理实验，2009，29（3）：23－24．

［2］ 易其顺．从物理学习的认知过程看物理实验研究［J］．物理实验，2010，30（2）：14－18．

［3］ 况朝晖．海波熔化和凝固实验的探索及思考［J］．实验教学与仪器，2009，29（4）：30－31．

［4］ 于斌．传感器在固体熔化实验中的运用［J］．物理实验，2011，31（5）：18－19．