利用DIS改進(jìn)實(shí)驗(yàn) 探究升華和凝華現(xiàn)象①

朱峰磊 柳 怡

(1. 江蘇省張家港市梁豐初級(jí)中學(xué),江蘇 蘇州 215600;2. 江蘇省江陰市第一初級(jí)中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214431)

1 引言

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo))指出：應(yīng)注重科學(xué)探究,倡導(dǎo)教學(xué)方式多樣化,鼓勵(lì)教學(xué)中根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對(duì)象及教學(xué)資源等實(shí)際情況,靈活選用教學(xué)方式,合理運(yùn)用信息技術(shù)。[1]

劉炳昇教授認(rèn)為,隨著信息技術(shù)的普及和發(fā)展,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育物理課程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu),取長(zhǎng)補(bǔ)短,取得更大的教育效益。關(guān)鍵是從研究學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知心理出發(fā),實(shí)現(xiàn)促進(jìn)思維為主的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)。[2]

2022年江蘇省初中物理優(yōu)質(zhì)課評(píng)比的主題為“新課標(biāo)、新理念、新實(shí)踐”,其中一組選手的課題為“升華和凝華”,新課標(biāo)對(duì)這一節(jié)內(nèi)容的要求是：經(jīng)歷物態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程,了解物態(tài)變化過(guò)程中的吸熱和放熱現(xiàn)象。能運(yùn)用物態(tài)變化知識(shí)解釋自然界和生活中的有關(guān)現(xiàn)象。[1]據(jù)此確定教學(xué)目標(biāo)為：建構(gòu)升華和凝華的概念,知道升華要吸熱,凝華會(huì)放熱。了解生活中的升華和凝華現(xiàn)象,并能用物理語(yǔ)言進(jìn)行解釋。筆者認(rèn)為,升華吸熱和凝華放熱是本節(jié)課的重點(diǎn),也是需要突破的難點(diǎn)。

2 不同版本教材中升華和凝華實(shí)驗(yàn)對(duì)比

三種教材中升華和凝華實(shí)驗(yàn)的對(duì)比見(jiàn)表1,升華吸熱和凝華放熱的結(jié)論皆是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)、推理、歸納而得出的,[3]沒(méi)有讓學(xué)生經(jīng)歷對(duì)升華吸熱和凝華放熱的科學(xué)探究過(guò)程,而用常規(guī)器材來(lái)探究物質(zhì)升華吸熱和凝華放熱確實(shí)存在較大的困難,很難獲得可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)證實(shí)相應(yīng)的科學(xué)結(jié)論。為了促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的提升、形成物理觀念,筆者認(rèn)為可利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS)來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。

表1

3 基于DIS改進(jìn)升華吸熱實(shí)驗(yàn)

提出問(wèn)題：用酒精燈對(duì)干冰加熱,它的溫度會(huì)升高嗎?

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：如圖1所示,用電子秤稱取等質(zhì)量的干冰,將干冰分別裝入兩個(gè)燒瓶?jī)?nèi),燒瓶口不加塞子,將兩個(gè)溫度傳感器從燒瓶口伸入,傳感器探頭不接觸燒瓶和干冰,保持探頭在燒瓶?jī)?nèi)的深度相同,測(cè)量燒瓶?jī)?nèi)氣體的溫度。靜置一段時(shí)間后,測(cè)得燒瓶?jī)?nèi)氣體溫度分別為19.7 ℃和19.8 ℃。

圖1

如圖2所示,用酒精燈對(duì)左側(cè)的燒瓶底部進(jìn)行加熱,用溫度傳感器測(cè)得溫度數(shù)據(jù),顯示溫度—時(shí)間圖像,不難發(fā)現(xiàn)用酒精燈加熱的燒杯內(nèi)溫度不升反降(圖3),由此可以證明左側(cè)燒瓶?jī)?nèi)吸熱現(xiàn)象更明顯。

圖2

圖3

提出問(wèn)題：加熱后,為什么溫度不升反降呢?

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,停止加熱,用電子秤稱量剩余干冰的質(zhì)量(圖4),分別為63.0 g和89.6 g。

圖4

得出結(jié)論：左側(cè)加熱的燒瓶?jī)?nèi)干冰升華后質(zhì)量減少為63.0 g,右側(cè)自然狀態(tài)下的燒瓶?jī)?nèi)干冰升華后質(zhì)量減少為89.6 g。用酒精燈加熱的左瓶?jī)?nèi)干冰的升華速度明顯快于右瓶?jī)?nèi)干冰的升華速度,溫度更低。由此可得：升華需要吸熱。

4 利用DIS改進(jìn)凝華放熱實(shí)驗(yàn)

做凝華實(shí)驗(yàn)時(shí),可在“碘錘”頂端的凹槽內(nèi)放入蘸有酒精的棉球,這樣可讓大部分碘蒸氣集中在碘錘上端凝華,也可說(shuō)明凝華會(huì)放熱。由于酒精棉球上酒精蒸發(fā)吸熱,溫度降低,碘蒸氣在碘錘上端凝華現(xiàn)象更明顯。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)只能間接推理出凝華需要放熱,而非通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接獲得。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：為了直接獲得凝華放熱的證據(jù),可利用DIS改進(jìn)碘的凝華實(shí)驗(yàn)。

(1) 如圖5所示,在兩個(gè)相同的敞口玻璃瓶?jī)?nèi)分別裝入碘顆粒和錫顆粒,用帶孔的木塞子將玻璃瓶口封住。由于瓶?jī)?nèi)兩種物質(zhì)的比熱容相近,碘和錫的比熱容分別為0.218×103J/(kg·℃)和0.226×103J/(kg·℃),因此配比的碘顆粒的質(zhì)量為1 g,錫顆粒的質(zhì)量為0.96 g。

圖5

(2) 如圖6所示,利用升降臺(tái)將一盆熱水緩慢抬高,使裝有碘和錫的玻璃瓶都浸泡在熱水中,靜置一段時(shí)間,等左側(cè)玻璃瓶?jī)?nèi)碘蒸氣不再增加,且兩瓶的溫度逐漸趨于穩(wěn)定。這時(shí)可以粗略地認(rèn)為兩瓶?jī)?nèi)氣體的溫度相同,碘顆粒和錫顆粒由于熱傳遞所吸收的熱量大致相同。

圖6

(3) 利用升降臺(tái)撤去熱水,同時(shí)在木塞小孔中迅速插入溫度傳感器,測(cè)出溫度數(shù)值,顯示溫度—時(shí)間圖像,置于兩玻璃瓶中的溫度傳感器測(cè)得溫度幾乎同時(shí)達(dá)到最高值,左側(cè)含碘蒸氣的玻璃瓶?jī)?nèi)溫度為52.8 ℃,比右側(cè)溫度高了6.5 ℃(圖7)。

(4) 隨著時(shí)間的推移,瓶?jī)?nèi)碘蒸氣逐漸變少,在溫度傳感器的探針上形成一層黑色的碘顆粒,這正是碘蒸氣凝華的結(jié)果,從實(shí)驗(yàn)得到的溫度—時(shí)間圖像中發(fā)現(xiàn)：左側(cè)裝有碘的玻璃瓶中的溫度始終高于右側(cè)裝有錫的玻璃瓶中的溫度,這是碘蒸氣凝華放熱的緣故(圖8)。據(jù)此可得出結(jié)論：凝華需要放熱。

圖8

圖9

5 結(jié)語(yǔ)

利用DIS探究升華吸熱和凝華放熱,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)方法和手段的創(chuàng)新,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀、明顯,與學(xué)生認(rèn)知能力相適應(yīng),與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致。對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀察到的現(xiàn)象,通過(guò)DIS來(lái)呈現(xiàn),彌補(bǔ)了教材實(shí)驗(yàn)存在的缺陷。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn),促進(jìn)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,形成物理觀念、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。[4]