用冰做晶体熔化实验的研究

王永民

摘 要： 探究式教学作为现代教育理念重点之一，正逐步得到提倡与推广。物理实验是学生感受物理思想、领悟物理科学精髓最主要最有效的途径之一。晶体熔化实验是初中物理实验的重点，更是难点，要通过这个实验在学生头脑中建立“晶体的熔化过程是一个不断吸热的过程，在这个过程中晶体的温度始终保持在熔点”这一物理规律。而多年来传统晶体熔化实验很难成功，作者通过实验研究的创新：用冰替代五水硫代硫酸钠；用块状晶体替代粉麽状或颗粒状晶体；用气球替代试管；用体温加热替代酒精灯加热，从而实现简约的装置取得显著的实验效果。

关键词： 晶体 冰 熔化 实验

初中物理学生实验中，晶体的熔化实验是学生认识晶体与非晶体区别的关键。以前的晶体实验所选用的物质是萘，这种物质有一定的毒性，现已经禁止使用。而现在大多使用五水硫代硫酸钠，它是一种无色单斜晶体，48.2℃时溶解在自身结晶水中，在干燥空气中易风化，易水解，保存较困难，实验后容器不易清理，残留多，污染环境，不能循环利用，造成浪费。同时很多农村学校实验室中没有这种药品，而且传统晶体熔化实验用五水硫代硫酸钠作为实验晶体。其实验装置复杂，安全性差，兴趣点少，且不易观察，实验成功率低，效果极不明显。既然冰也是晶体，为什么不能用冰替代五水硫代硫酸钠来做晶体熔化实验呢？带着这个课题，笔者通过长时间的反复思考和多次实验研究，成功地完成了这个实验课题，从而改写了多年来用五水硫代硫酸钠做晶体熔化实验多以失败告终的历史。

一、具体做法

1.实验材料准备：水银温度计、停表（秒表）、无色透明小气球、水、注射器、细线等。

2.选择在自然状态下容量为25毫升左右卵形的无色透明气球，用注射器向气球内注入20毫升的水。用细线绳扎住气球口，将其吊在冰箱的冷冻室或冰柜内冷冻。北方的冬天室外温度较低时，可放在室外悬挂冷冻。

2.当气球内的水全部冷冻成卵形冰团后，解开细线绳，打开气球，裸漏出卵形冰的顶部，用手电钻在冰的顶部打一个直径稍大于温度计液泡直径的洞，洞深以达到卵形冰的中心为宜。这样一个带洞的“冰蛋”就做好了。然后用细线绳重新扎住气球口，将其重新放回冰箱的冷冻室或冰柜内继续冷冻，待用。

3.实验时，两人一组。取出“冰蛋”，打开线绳，将温度计液泡端插入“冰蛋”的洞内，让温度计的液泡端和冰充分接触，以测量冰及其熔化过程中的温度。

4.让其中一名学生用双手掌合起来加热“冰蛋”，即：体温加热。另一名学生记录时间和温度，并仔细观察“冰蛋”的熔化状态和温度。每两三分钟记录一次温度。当温度计的示数上升到0℃时，“冰蛋”表层开始缓慢熔化，10分钟左右“冰蛋”熔化完结。实验时，学生能在冰的熔化过程中，较长时间地观察到：温度计的示数稳定在0℃不变。

二、突出特点

1.该实验方法需要的材料少，装置简单，安全可靠。常规的晶体熔化实验，一般采用试管装晶体。利用水浴法加热。实验中所用的器材十多个，组装繁琐。实验时还要用酒精灯加热，具有一定的危险性。温度计插在试管的晶体中，很容易碰到试管壁，测温误差较大。

2.该实验学生参与性强，可视性大。现象明显，学生能明显观察到冰在熔点熔化，其温度保持不变。原实验器材多，学生很难抓住实验重点、观察重点、记录时机。隔两层玻璃透水观察：是很难在很短的时间观察到晶体的瞬间变化的。大多数同学看热闹，无从记录，收不到真实数据，更谈不上得出可靠数据。因此，很多老师只是纸上谈兵，给出一组理想的数据，推出一个让学生怀疑一生的结论。或者用多媒体课件演示一番，有失物理学科的真实性。而改进后的实验正好相反：原原本本、真真实实地证实了晶体熔化的科学规律。

3.该实验源于生活，贴近生活，高于生活。除非精心安排，我们生活中很难看到五水硫代硫酸钠晶体的熔化，而冰消雪融大多数人都经历过。冰、雪就是晶体，就在我们身边。冰的熔化实验恰恰揭示了晶体的熔化规律。我们从生活表象走进了物理的实质。

4.该实验可操控性强；实验效果突出明显；实验数据真实可靠。原实验加热的温度很难控制，一旦发现温度高了，立即停止加热为时晚矣。我们用冰做晶体熔化实验，用体温加热，可控性强。而且温差小，加热缓慢，晶体熔化时间较长，有利于晶体熔化过程的充分体现，因此干扰因素少，实验效果明显，实验数据展现充分可靠，得出的实验结论学生信服。

5.该实验所用的晶体——冰。来源广泛；经济实惠；实验过程不需酒精灯加热，不产生废气，无毒无味无污染，节能环保；材料可重复利用，是真正的绿色实验。

三、解释

1.选择整块冰的理论依据。因为整块晶体受热是靠晶格的热导，而分子间的碰撞对导热又起决定作用。整块晶体的分子受其分子间的作用只能在其平衡位置附近不停地振动，从而减少分子间碰撞的机会。从热源传入的能量主要转变为分子间的势能（破坏晶体空间点阵），分子动能的变化很小，所以晶体的温度就没有显著改变。从而就保证晶体熔化过程中在一定温度下进行。

2.冰的形状问题。我们之所以选用卵形的冰作为实验晶体，首先是因为它无棱角安全性强，更重要的是让每个学生都亲自体验到实验探究的快乐，真切地感受实验探究的过程，完美地呈现实验现象，精确地得出实验结论。考虑到冰的熔点较低，在尝试多种加热方式后，选择用体温（双手）加热。为使手掌面和冰块表面充分接触，使其均匀受热熔化，将冰制成卵形。实验充分证明卵形的冰具有安全可操作性强的明显特点。

3.温度计的液泡为什么要置于冰蛋的中心？因为在这个实验中，温度计始终要测定的是晶体的温度。温度计液泡和冰充分接触，直至最后完全熔化。我们选择的加热方式和冰的形状及冰洞的位置正是为了保证这一点，这对实验的成败非常关键。