利用半导体制冰机完成水凝固和冰熔化实验的研究

刘彩丽

【摘要】针对人教版物理八年级上册第三章物态变化《第2节熔化和凝固》教材中实验教学存在的问题及原因进行深入剖析，并利用半导体制冰机创新实验教学，能有效地突破冰水混合时温度不变的教学难点。

【关键词】中学物理;半导体制冷片;导冷铝块;散热器;实验教学

一、教材中对实验的处理和存在的困难

（一）关于教材的课标要求

“晶体熔化和凝固”是人教版物理八年级上册第三章物态变化《第2节熔化和凝固》的重点难点，课标对“晶体熔化与凝固”实验的要求是通过探究实验，记录晶体在熔化和凝固过程中的温度变化，利用数据绘制图象，学会用图象分析的方法得出物理规律，即晶体在熔化或凝固过程中虽然会吸热或放热但都能保持温度不变的特点。

（二）教材对这个实验的处理

为了突破“晶体熔化时温度不变”这一教学重点难点，人教版教材选用的晶体是海波，装置如图1所示，可是在实际课堂演示实验操作過程中很难得到海波熔化过程温度不变的理想数据，经常出现要么海波熔化时间很短，要么海波吸热温度上升的现象。实验数据不支持实验结论，实验教学难以进行。对于凝固，课本没有液体凝固形成晶体的实验，而是直接给出晶体凝固图象，课本的表述是“液体凝固形成晶体时也有确定的温度，这个温度叫做凝固点。同一种物质的凝固点和它的熔点相同。”让学生从凝固时温度随时间变化曲线得出规律。

（三）教材实验中存在的困难

利用海波做晶体熔化实验，教师最担心的问题是本次实验中的海波是否能在熔化过程中保持一定时间（最好有3分钟）温度不变，这样描绘出来的图象才比较理想。海波为什么在熔化过程中温度发生变化呢？原因大概有三个：一是实验室购买的海波纯净度不够;二是装海波的药品罐密封性不好，海波容易受潮;三是加热海波用的是水浴法，沈陈老师指出大烧杯与小试管之间的温差必须控制在5℃以内，实验现象才比较明显。而且要准备多支温度计测量大烧杯的水温，初温控制在37℃左右，因为大烧杯的水温过冷会加长实验时间，过热会导致海波熔化的时间大大缩短，所以教师必须准确调制好大烧杯的水温，这无疑是教师课前实验准备的一个负担，比较难掌控好。本文介绍的是利用半导体制冰机对实验进行创新改进，选用水和冰做实验，凸显冰水混合时温度不变的特点。

二、水凝固和冰熔化实验教学方案

（一）先做水凝固实验再做冰熔化实验

一般教学过程的处理都是由熔化直接进行推导得出晶体凝固时温度也是不变的，同种晶体的熔点和凝固点相同这个知识点。但这样处理说服力不强，学生印象不深，理解也不透彻。笔者利用半导体制冰机先做水凝固实验，接着做冰熔化实验，这样既符合半导体制冰机的使用特点，也能够使学生观察到水凝固成冰冰熔化成水的过程，并在实验过程中测量记录温度随时间变化数据，利用图像分析法理解晶体在凝固和熔化时的温度不变的特点，认识发生物态变化时温度随时间变化规律及观察对应的状态的变化，突破冰水混合时温度不变的教学难点。

（二）半导体制冰机的制作方法

方军老师指出利用冰冻盐水作为“冷源”可以实现水凝固结冰过程，并能测出结冰过程中0℃以下的温度。但是这冰冻盐水应如何储存？到底能储存多长时间？实验不仅要提前一天准备，而且万一冰冻盐水在上课前熔化就很难在短时间内再重新凝固，实验教学无法进行了。蒋馨雅和桑芝芳老师指出，“从实验安全、实验材料的普及性以及操作难度角度来说冰的确是最佳的选择。”本文提到的半导体制冰机可以随时随地使水快速凝固，半导体制冰机主要由12V半导体制冷片（如图2所示）、导冷铝块（如图3所示）、散热器（如图4所示）、220V转换12V直流电源（如图5所示）组成，是一个方便快捷的制冷装置。

制作步骤：

①在半导体制冷片上下表面均匀薄薄涂上硅脂。

②导冷铝块和亚克力板用玻璃胶粘合一起做成水槽，注意导冷铝块中间的铝片要掰弯，方便放入温度计的玻璃泡，水槽要提前做好，如图6所示。

③水槽与半导体制冷片有字面接触。

④半导体制冷片无字面与散热器接触，并用4个塑料螺丝长钉将水槽、制冷片及散热器固定。

⑤半导体制冷片与散热器并联接在220V转换12V直流电源，这样就做成一台半导体制冰机，实验装置如图7所示。

⑥实验用的温度计是利用寒暑表改装的，方便读取0℃以下的温度。

三、利用半导体制冰机创新实验教学

（一）水凝固和冰熔化实验教学步骤

①准备计时器、水，将水倒入制冰机水槽，放入温度计，然后接通电源，观察温度计示数变化，待水温降到20℃时开始计时。

②每隔1分钟记录一次示数，约3分钟水温度降到0℃开始凝固，再过4分钟左右可使水完全结冰，凝固过程直观明显，简便快捷。

③水凝固成冰后，温度继续下降，再继续实验3分钟，整个过程需要10分钟左右。

④保持半导体制冰机继续工作，待冰温度在-8℃左右断开电源，开始计时并记录温度，做冰熔化实验。

⑤每隔1分钟记录一次示数，约1分钟冰温度升到0℃开始熔化，再过4分钟左右可使冰完全熔化（如果觉得时间过长可以用电吹风对着导冷铝块底部吹热风），熔化过程直观明显，简便快捷。

⑥冰熔化成水后，温度继续上升，再继续实验3分钟，整个过程需要8分钟左右。

（二）实验数据与图像

如表1是通过读取温度计示数收集到的水凝固过程中的实验数据及观察到的实验现象。

如表2是通过读取温度计示数收集到的冰熔化过程中的实验数据及观察到的实验现象。

根据实验数据描绘出水凝固时温度随时间变化图象线如图8所示，冰熔化时温度温度随时间变化图象如图9所示。

（三）实验结果

分析以上实验数据和图像可知，水凝固和冰熔化过程中，冰水混合物温度保持在0℃不变，实验数据稳定准确、真实有效，由于水凝固过程和冰熔化过程时间较长，所以描绘出的温度随时间变化图像很理想，突破冰水混合时温度不变的教学难点并使学生直观看到同一种物质的凝固点和它的熔点相同。