对冰熔化实验的改进意见
对晶体熔化实验的改进意见
褚 军 江苏省沭阳县怀文中学
摘要:原实验测得的温度其实是冰熔化时水的温度,选择水作为测量对象其实是错误的,实际上熔化过程中水的温度是一定高于冰的,这是晶体熔化的需要。对教材正确的理解应该是:晶体在熔化中只有固体的温度才保持不变。在对冰的加热过程中,无论冰的受热是否均匀,熔点都不会变,都会是0℃,实验测量到的也应该是0℃,测量结果与是否均匀受热无关。
关键词:冰的熔化、水温必然高于冰的温度、测量对象、尊重事实
正文:
在苏科版8年级(上册)初二物理课本中,第二章第三节《熔化和凝固》一节中,设计了晶体冰的熔化实验,在实验过程中老师们往往使尽浑身解数才能勉强保住温度计的示数为零,稍有不慎温度便会高于熔点,这是毋容置疑的实验事实,这种结果是这种实验方案的必然后果。这一弊端将在改进后的实验中被避免。
首先,我来分析一下教材在此设计这一实验的目的,如图1,这是教材目前设计的实验,在实验之后教材中用下面这句话对实验作了总结:“有些固体在熔化过程中,尽管不断加热,但温度却保持不变”。对于该结论,有2种理解,第一种理解是:晶体在熔化过程中,尽管不断加热,但“混合物”的温度却保持不变。这是传统的理解。也是目前相当一部分老师的理解(包括我以前也这样理解)。第二种理解是:晶体在熔化过程中,尽管不断加热,但“固体”的温度却保持不变。这是我现在对这句话的理解。以上2种观点谁对谁错?这将直接影响实验方案的设计。
接下来,我试图用下面的推理来证明第一种观点是错误的。如图1,冰在熔化时其周围布满了水,空气向水供热,水再向冰供热,所以水的温度必然要高于冰的温度,否则冰将停止熔化,所以,水的温度要高于冰是冰熔化的必要条件。实验中用温度计测得的其实是水的温度也就必然高于熔点,如果通过不断搅拌使水的温度降为0℃,水与冰温度相等,冰无法从周围吸热就会停止熔化,这时温度计测得的就不是熔化时的温度,而是停止熔化时的温度。对于搅拌的目的,大多数人认为是为了使之受热均匀,为什么要“均匀受热”?不均匀受热冰的熔点就会变么?如果不变,那为什么在不均匀加热的条件下,
实验测量到的又会变?难
道实验本身没有问题么?“晶体熔化时温度保持不变”需要加上“均匀受热”作为成立的条件么?所以,这是自欺欺人的说法,其实每一个正在竭力搅拌的老师们心里都明白:这样做是为了加速冰的熔化,让0℃的冰从温度高于0℃的水中吸热,从而降低水的温度,使之接近于0℃,只有这样才能得到“冰在熔化时,温度保持在熔点0℃不改变”这个结论,我们欺骗了学生,也欺骗了自己。而且测量的又是冰几乎停止熔化时水的温度。
所以,晶体熔化过程中“混合物”中固、液2种成份的温度是不相同的,那么,晶体的熔点是定义为晶体熔化过程液体的温度?还是固体的温度?显然,不可能是液体的温度。再回到课本中“有些固体在熔化过程中,尽管不断加热,但温度却保持不变”这句话,我们不难发现他的真正含义是:有些固体在熔化过程中,尽管不断加热,但(固体的)温度却保持不变。液体的温度也许变,也许不变,但一定高于固体的温度。对于冰的熔化而言,在采取“空气浴”时,无论空气的温度多高,无论空气与冰的温度差有多大,冰在熔化时温度应该始终为0℃。如果我的观点是正确的,那么,图1 的实验中选择水作为温度计的测量对象就是错误的,正确的测量对象应该是固态的冰。
在苏科版教材的配套补充习题中有这样一道习题:将一杯冰水混合物A放在太阳光下,另一杯冰水混合物B放在树荫下,过了一段时间,A、B两杯中都有没有熔化完的冰块,问A、B两杯水谁的温度高?需要提醒读者朋友们的是:原先的冰水混合物过了一段时间已不再是冰水混合物,因为它们都正处于熔化过程中,是一种不稳定状态。所以,我认为正确的答案应该是A的温度高。而不是原来认为的一样高。这也符合实验事实。尊重事实是物理的重要思想。
综上所述,经我反复实验,我对冰熔化实验的改进意见如下:如图2,在试管底部放一个滤网,并在滤网下面做一个支撑的腿,将冰块放在滤网上面,温度计的玻璃泡插在碎冰块中间。冰熔化成的水便会渗漏到滤网下面,这样测量到的才是熔化时冰的温度。