朱峰磊 柳 怡

(1. 江苏省张家港市梁丰初级中学,江苏 苏州 215600;2. 江苏省江阴市第一初级中学,江苏 无锡 214431)

1 引言

《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称新课标)指出：应注重科学探究,倡导教学方式多样化,鼓励教学中根据教学目标、教学内容、教学对象及教学资源等实际情况,灵活选用教学方式,合理运用信息技术。[1]

刘炳昇教授认为,随着信息技术的普及和发展,数字化实验在基础教育物理课程中的应用越来越广泛和深入,数字化实验和传统实验相结合,可以优化结构,取长补短,取得更大的教育效益。关键是从研究学生的学习认知心理出发,实现促进思维为主的长远发展目标。[2]

2022年江苏省初中物理优质课评比的主题为“新课标、新理念、新实践”,其中一组选手的课题为“升华和凝华”,新课标对这一节内容的要求是：经历物态变化的实验探究过程,了解物态变化过程中的吸热和放热现象。能运用物态变化知识解释自然界和生活中的有关现象。[1]据此确定教学目标为：建构升华和凝华的概念,知道升华要吸热,凝华会放热。了解生活中的升华和凝华现象,并能用物理语言进行解释。笔者认为,升华吸热和凝华放热是本节课的重点,也是需要突破的难点。

2 不同版本教材中升华和凝华实验对比

三种教材中升华和凝华实验的对比见表1,升华吸热和凝华放热的结论皆是通过对实验现象进行总结、推理、归纳而得出的,[3]没有让学生经历对升华吸热和凝华放热的科学探究过程,而用常规器材来探究物质升华吸热和凝华放热确实存在较大的困难,很难获得可靠的实验证据来证实相应的科学结论。为了促进学生科学思维能力的提升、形成物理观念,笔者认为可利用数字化实验系统(DIS)来改进实验,引导学生进行科学探究。

表1

3 基于DIS改进升华吸热实验

提出问题：用酒精灯对干冰加热,它的温度会升高吗?

改进实验：如图1所示,用电子秤称取等质量的干冰,将干冰分别装入两个烧瓶内,烧瓶口不加塞子,将两个温度传感器从烧瓶口伸入,传感器探头不接触烧瓶和干冰,保持探头在烧瓶内的深度相同,测量烧瓶内气体的温度。静置一段时间后,测得烧瓶内气体温度分别为19.7 ℃和19.8 ℃。

图1

如图2所示,用酒精灯对左侧的烧瓶底部进行加热,用温度传感器测得温度数据,显示温度—时间图像,不难发现用酒精灯加热的烧杯内温度不升反降(图3),由此可以证明左侧烧瓶内吸热现象更明显。

图2

图3

提出问题：加热后,为什么温度不升反降呢?

经过一段时间后,停止加热,用电子秤称量剩余干冰的质量(图4),分别为63.0 g和89.6 g。

图4

得出结论：左侧加热的烧瓶内干冰升华后质量减少为63.0 g,右侧自然状态下的烧瓶内干冰升华后质量减少为89.6 g。用酒精灯加热的左瓶内干冰的升华速度明显快于右瓶内干冰的升华速度,温度更低。由此可得：升华需要吸热。

4 利用DIS改进凝华放热实验

做凝华实验时,可在“碘锤”顶端的凹槽内放入蘸有酒精的棉球,这样可让大部分碘蒸气集中在碘锤上端凝华,也可说明凝华会放热。由于酒精棉球上酒精蒸发吸热,温度降低,碘蒸气在碘锤上端凝华现象更明显。根据以上实验只能间接推理出凝华需要放热,而非通过实验直接获得。

实验改进：为了直接获得凝华放热的证据,可利用DIS改进碘的凝华实验。

(1) 如图5所示,在两个相同的敞口玻璃瓶内分别装入碘颗粒和锡颗粒,用带孔的木塞子将玻璃瓶口封住。由于瓶内两种物质的比热容相近,碘和锡的比热容分别为0.218×103J/(kg·℃)和0.226×103J/(kg·℃),因此配比的碘颗粒的质量为1 g,锡颗粒的质量为0.96 g。

图5

(2) 如图6所示,利用升降台将一盆热水缓慢抬高,使装有碘和锡的玻璃瓶都浸泡在热水中,静置一段时间,等左侧玻璃瓶内碘蒸气不再增加,且两瓶的温度逐渐趋于稳定。这时可以粗略地认为两瓶内气体的温度相同,碘颗粒和锡颗粒由于热传递所吸收的热量大致相同。

图6

(3) 利用升降台撤去热水,同时在木塞小孔中迅速插入温度传感器,测出温度数值,显示温度—时间图像,置于两玻璃瓶中的温度传感器测得温度几乎同时达到最高值,左侧含碘蒸气的玻璃瓶内温度为52.8 ℃,比右侧温度高了6.5 ℃(图7)。

(4) 随着时间的推移,瓶内碘蒸气逐渐变少,在温度传感器的探针上形成一层黑色的碘颗粒,这正是碘蒸气凝华的结果,从实验得到的温度—时间图像中发现：左侧装有碘的玻璃瓶中的温度始终高于右侧装有锡的玻璃瓶中的温度,这是碘蒸气凝华放热的缘故(图8)。据此可得出结论：凝华需要放热。

图8

图9

5 结语

利用DIS探究升华吸热和凝华放热,实现了实验方法和手段的创新,实验现象更加直观、明显,与学生认知能力相适应,与课程标准的要求相一致。对常规实验无法观察到的现象,通过DIS来呈现,弥补了教材实验存在的缺陷。实验教学要结合物理学科特点,促进学生开展科学探究,培养学生的科学思维,形成物理观念、科学态度与责任。[4]