八年級物理《熔化和凝固》教案

　　一、本節三維目標要求

　　1．知識與技能

　　了解晶體和非晶體的區別。知道一些物質的熔點。

　　知道熔化和凝固的含義。

　　認識熔化是吸熱過程，了解熔化曲線和凝固曲線的物理含義。

　　2．過程與方法

　　感知發生熔化和凝固的條件

　　區別晶體和非晶體，感悟物質世界的美麗多姿。

　　經歷固體熔化的實驗探究過程，學習實驗探究的基本思路和方法。

　　了解圖像是一種比較直觀的表示物理量變化的方法。學習根據實驗數據做出物理圖像的方法。

　　3．情感、態度與價值觀

　　嘗試對環境溫度問題發表自己的見解。有關注環境溫度的意識。

　　嘗試將生活和自然界中的一些現象與物質的熔點聯系起來，將所學知識與生產、生活相結合。

　　關注自然現象，產生樂于探究自然現象的興趣和欲望。

　　二、重點和難點

　　本節重點是探究固體熔化過程的規律。

　　本節難點是實驗數據的圖像轉換方法。

　　三、教學實施建議

　　（一）教學過程

　　本節安排3個教學板塊：（1）認識晶體；（2）實驗探究固體熔化過程的規律；（3）液體的凝固。

　　1.認識晶體

　　學生對將固體區別為晶體和非晶體認識不足，教師應著力調動學生的觀察積累，利用教科書提供的圖片，酌情展示一些常見晶體和非晶體的實物、模型、圖片資源，首先讓學生建立區別晶體和非晶體的宏觀依據——形狀規則與否的概念，初步認識晶體和非晶體的區別。

　　2.實驗探究固體熔化過程的規律

　　不宜將本板塊變為演示，要舍得投入時間，引領學生經歷固體（含晶體與非晶體）熔化的實驗探究全過程，初步領略科學探究的各個環節，學習科學探究的基本思路和方法。這也是課時安排建議本節2課時的主要原因。

　　（1）首先，教師應引導學生注意晶體和非晶體不同的形狀和不同的加工工藝，猜想到它們可能存在不同的熔化規律；在觀察和思考的基礎上，提出探究問題：熔化是在什么條件下發生的？熔化過程有什么特點？晶體和非晶體的熔化規律究竟有什么不同？

　　（2）為了研究提出的問題，重要的是組織學生討論，制訂出分工合理、實用高效的探究討劃和實驗設計方案。

　　各組首先應選取一種晶體、一種非晶體作為對比研究對象；為了使結論具有普遍性，各組所選研究對象要在條件允許的情況下盡可能不同。其次，要探究熔化規律，自然需要將研究對象熔化，怎樣熔化？在熔化過程中需要觀測記錄哪些數據和現象？需要什么實驗器材或儀器？要否自己尋找或自制？這些都不要教師給定。這些問題需要師生討論，達成共識，并要有所約定。例如，各組達成借助酒精燈加熱晶體和非晶體使之熔化的基本思路，約定定時（例如每隔30s）記錄加熱過程中晶體和非晶體的溫度，并確認當時研究對象的狀態，直到熔化持續一段時間為止。至于各組探討的具體問題，例如，停止加熱后，熔化情況怎樣？是選取冰和蠟，還是選取海波和松香或者別的作為研究對象？是用水浴法加熱，還是直接加熱？都應該以寬容的態度對待。需知：規范完美的科學探究純屬理想模型，在實際上是不存在的，以此模式組織探究只能是“假探究”；各組探究過程的差異應視為寶貴的課程和教學資源，使得合作交流、討論評估更具實際價值。

　　（3）在進行實驗和收集證據過程中，應幫助學生解決一些實際問題：

　　①進一步鞏固使用酒精燈或無煙臘加熱物體的規范要求。

　　②了解實驗室常用液體溫度計的工作原理、構造特點、溫度范圍及分度值。

　　③學會測量溫度，知道用溫度計測量溫度的正確方法和注意事項：

　　·確認溫度計的量程和分度值。

　　·將溫度計的.玻璃泡與被測量的物體充分接觸。

　　·當溫度計的示數穩定后再讀數。讀數時，溫度計仍需和被測物體接觸（體溫計除外）。

　　·讀數時，視線要與溫度計中液柱上表面相平。

　　④研究固體熔化時溫度的變化規律，需要知道它們熔化過程中的溫度。如何使待熔化物體均勻受熱、使溫度計的玻璃泡與待熔化固體充分接觸呢？怎樣使待熔化固體緩慢熔化，以便觀察和測量呢？

　　·待熔固體應為細粒或粉末狀。

　　·盛裝待熔固體的試管應較細，以增大受熱面積。裝入試管中的待熔固體應適量（過少，則熔化過程太短，不利觀測；過多，則受熱不均勻）。

　　·優選間接加熱（例如水浴）法，并用兩枚溫度計同監測試管內外的溫度，調整控制熱源加熱力度，使內外溫差保持在2～3℃左右。

　　·建議學生先做非晶體熔化實驗，再做晶體熔化實驗。用意有二：前者較易成功且易理解；能夠對后者產生更強列的印象和反差。

　　⑤指導學生分工合作，高效安全地進行實驗、收集證據。

　　（4）在數據處理、討論交流和評估環節，教師的主要工作應集中于：

　　①激活學生尋找和比較數據規律的需要。

　　②幫助學生回顧數學上描點作圖的一般方法及其優點，指導學生在方格紙上描畫物質熔化曲線。

　　③熱情支持學生的附加探究實驗，允許學生重做或部分重做實驗，以便擴大交流和評估成果。

　　④為學生提供討論和評估的必要物質條件，例如，提供視頻展臺或實物投影儀，用以展示各組所得熔化曲線和數據記錄表格。

　　⑤實驗結論不宜絕對化。為了達成共識，應組織學生對比分析、總結晶體和非晶體的熔化過程，歸納出二者的同異點，總結出晶體熔化的兩個必要條件：①達到熔點；②繼續加熱（吸收熱量）。

　　（5）得出固體熔化過程的規律后，教師可予以擴展。

　　①給出熔點概念。指出熔點是晶體物質的基本屬性之一。生活和自然界中，生產和技術上，許多現象和應用都與熔點有關。

　　②引導學生用分子動理論初步解釋熔化的吸熱過程。

　　③介紹常見物質的熔點，使學生對之有定性的了解。要求記住冰的熔點。

　　3.液體的凝固

　　教科書對液體的凝固處理較為粗略，教學中可引導學生采用有意的接受學習方式進行。

　　（1）列舉生活、生產、技術上的液體凝固實例。例如，水結成冰，塑料顆粒熔化后注入鋼模冷卻凝固成塑料盒，熔融狀態下的玻璃軋制成玻璃板……

　　（2）凝固過程和凝固曲線。引導學生對比冰（晶體）熔化過程的三個階段，采用類比的方法，分析水（液體）凝固過程的三個階段的吸放熱特點和溫度變化特點。要明確：雖然同種物質的凝固點和熔點相同，但兩種曲線卻具有不同的物理含義。同時總結歸納出熔融狀態下的晶體凝固的兩個必要條件：①達到凝固點；②放出熱量。還應對比分析熔融狀態下的晶體與非晶體的凝固過程的異同點。使學生獲得相對完整的固液變化的認識。

　　為了同一目的，建議布置課外實驗探究活動：利用冰箱設計實驗，研究水的凝固過程并畫出水的凝固圖像。

　　（3）組織學生綜合運用熔化和凝固規律，特別是聯系5.1自我評價中的屋檐上冰錐的形成過程，交流討論教科書有關“火山爆發后”內容，要求學生做到運用所學知識和方法進行必要的推理分析。

　　熔巖在流淌過程中，將因向周圍放熱而導致溫度不斷降低。雖然剛從火山口噴出時巖漿溫度相同，但凝固點（熔點）高的礦物巖漿將首先凝固，這些凝固的礦物要么沉積下來，要么隨未凝固的巖漿向前推移，直到所有巖漿均在火山口周圍依山傍勢凝固。基本上按橄欖石、輝石、角閃石、黑云母、正長石、白云母、石英排列。

　　（二）材料準備與實驗設計

　　1.實驗材料準備

　　本節教學需要準備的材料有溫度計、試管、酒精燈或無煙臘、鐵架臺等。

　　冰塊、海波、峰蠟、松香等均由實驗室統一制備。其中冰塊由實驗室用電冰箱統一制備，學生只需按設計要求制成碎冰即可使用。海波，化學名稱“硫代硫酸鈉”，分子式Na2S2O3，商用海波常為較大的晶粒，通常在試劑商店或照相器材商店有售。海波熔點為48℃，因含有雜質可略有不同。

　　順便提及，以往教學中常選固態萘（熔點為80.5℃）作為研究熔化和凝固過程的實驗器材，因為萘在加熱過程中會放出有毒揮發物，現已廢止。

　　2.實驗設計

　　（1）在用大蘇打（硫代硫酸鈉）做晶體熔化實驗時，試管中晶體粉末不宜過多，只要全部熔化后仍能浸沒溫度計測溫泡即可。實驗中溫度計測溫泡不要和試管壁接觸，為了使晶體粉末受熱均勻，可在粉末中混一些碎的細銅絲，加熱時應不斷攪拌。為了縮短加熱時間，不要用冷水，起始溫度可高些(35～40℃之間)，每隔l分鐘記錄l次溫度，大蘇打的熔點在47～49℃左右(由于總會含有雜質，一般不可能正好是48℃)。實驗時，最好用另一溫度計測水溫。如果環境溫度太高，水溫上升太快，會使大蘇打熔化太快，畫出熔化圖線的平直部分太短。為了充分顯示晶體熔化時溫度不變的特性，加長曲線的平直部分，實驗中當加熱到大蘇打開始熔化時，應適當減緩加熱，甚至停止加熱一會兒，讓大蘇打逐步從50～60℃的水中吸熱熔化。從開始熔化到全部熔化大約持續4分鐘左右溫度不變，整個實驗中約需記錄12～15個數據，持續15分鐘。縱軸起始溫度應為35℃，所標溫度范圍35～60℃。

　　（2）探究冰的熔化規律：

　　用圖5-2-1所示的學具裝置也可以探究冰的熔化規律。注意觀察狀態變化過程，并且每隔10秒鐘記錄一次溫度，直到全部熔化后再過2分鐘為止。

　　（3）利用電冰箱研究水的凝固過程：

　　可安排為課外實踐活動，意在對課堂教學中液體凝固類比結論的驗證。

　　四、發展空間

　　（一）“自我評價”參考答案

　　1.0℃，BC段

　　2.非晶體

　　（二）“家庭實驗室”指導

　　吊冰游戲：鹽的熔點高于冰的熔點。冰上撒些鹽，因鹽的溫度高于0℃，致使局部冰面熔化，鹽溶化在水中吸熱，使繩子周圍冰面上熔化的冰重新凝固，故而幾秒鐘后就能用繩子把冰吊起來。

　　類似的，可做“復凝”游戲：將一塊冰置于桌面上，把兩端懸掛重錘的細線橫置于冰塊上表面，則可見細線緩慢切過冰塊落至桌面，而冰塊仍是“堅冰”一塊，依稀還可找到細線“切豆腐”的痕跡，但“豆腐”重新又連成一片。這是利用冰在壓力下熔點提高的特性實現的。

　　晶體花園：水在蒸發過程中吸熱，將加速食鹽水的凝固，由于瓦片放置和色素沉著，碗中各處食鹽結晶析出的形狀殊異，因而生成漂亮的“晶體花園”。

　　（三）“物理在線”和“走向社會”指導

　　太空材料：組織學生下載網上信息或去圖書館查找資料，走訪專家學者，集中討論以下問題：（1）什么是太空材料？（2）太空材料成本昂貴，為什么要制選太空材料？（3）你希望太空實驗工廠制造什么新的材料？說說你的設想。

　　五、教學資源

　　（一）教學視頻

　　1.晶體世界（見“教師備課系統”光盤）

　　2.火山（見“教師備課系統”光盤）

　　3.太空材料（見“教師備課系統”光盤）

　　（二）參考資料

　　1.溫度計的發展

　　溫度計是測溫儀器的總稱。依據所用測溫物質的不同和測溫范圍的不同，有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。

　　世界上第一支溫度計是意大利科學家伽利略于1593年發明的。那時的溫度計是一根一端敞口的玻璃管，另一端帶有一個玻璃泡(如圖5-2-2)。使用時先給玻璃泡加熱，然后把玻璃管插入水中；測溫時將玻璃球與不同溫度的物體相接，由于管內空氣的熱脹冷縮，玻璃管圖5-2-2伽利略發明的第一支溫度計

　　中的水面就會上下移動，根據移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低。這種溫度計，受外界大氣壓強等環境因素的影響較大，所以測量誤差大。后來伽利略的學生和其他科學家做了各種改進，其中比較突出的是法國人布利奧在1659年制造的溫度計，他把玻璃泡的體積縮小，并把測溫物質改為水銀，這樣的溫度計已具備了現在溫度計的雛形。之后德國人華倫海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水銀作為測量物質，制造了更精確的溫度計。他觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度；經過反復實驗與核準，最后把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉，把純水凝固時的溫度定為32℉，把標準大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉，用℉代表華氏溫度，這就是華氏溫度計。

　　在華氏溫度計出現的同時，法國人列繆爾(1683－1757)也設計制造了一種溫度計。他把冰點和沸點之間分成80份，定為自己溫度計的溫度分度，這就是列氏溫度計。

　　1742年,瑞典人攝爾修斯改進了華倫海特溫度計的刻度，他把水的沸點定為零度，把水的冰點定為100度。后來他的同事施勒默爾把兩個溫度點的數值又倒過來，就成了現在的百分溫度，即攝氏溫度，用℃表示。華氏溫度與攝氏溫度的換算關系可以表達為

　　℉＝9/5℃+32，或℃＝5/9(℉－32)。

　　1848年英國物理學家開爾文創立了開氏溫標：也稱熱力學溫標。熱力學溫標每一度的大小和攝氏溫標完全相同，不過，它不是以水的冰點作為零度的，而是以理論上所說的分子熱運動將完全停止時的溫度，即-273.16℃作為零度，用K表示。要物質的熱運動完全停止是絕對不可能的，-273.16℃只不過是人們可以無限接近，但永遠也不可能達到的溫度。這一溫度也叫做絕對零度。

　　現在在說英語的國家，如英國、美國、加拿大、澳大利亞和印度等國，常用華氏溫度；而世界科技界和工農業生產中，以及我國、法國等大多數國家則常用攝氏溫度；在科學研究中，一般使用熱力學溫標。（張計懷）

　　2.太空材料

　　1987年以來，我國多次利用返回式衛星搭載，進行空間材料加工試驗，目前已取得較大進展。把需要合成的材料，放人特制的同一容器中，裝進太空爐，隨衛星一道送人太空，在太空通過太空爐，對材料進行加溫，熔化，再降溫，變成固體，合成出新的材料，然后伴隨著返回式衛星，回到地球，由此加工出的材料，人們俗稱它為太空材料。

　　1987年，我國在太空成功地制造出砷化鎵晶體，當時在國際科技界引起高度重視。10年來，我國又先后利用返回式衛星，在空間試驗加工出了碲鎘汞、銻化銦、鉛鋁合金等數十種新型材料。

　　由于地面和空間環境有別，所以加工材料可利用的外界條件不同，空間實際上是人類所需要探索研究的新領域。鋁和鉛在地面的比重相差很大，鋁輕鉛重，即使把它們熔化變成液體狀，最后鉛也要沉在容器的下面，鋁則要浮在上面，二者實在是難以混合在一起。到了太空，基本克服了地球的引力，鋁和鉛就可非常容易地混合在一起。

　　根據同樣的道理，如果我們在太空，把氣泡加入到熔化后的金屬中去，并使它們均勻分布，這樣就有可能制造出比普通泡沫還輕的金屬體。由于物體到了太空幾乎沒有輕重之分，所以能夠比較容易地把不同比重的物質合成在一起，從而得到地面難以得到的更有價值的材料。用砷化鎵制造出的微波晶體管，是衛星通訊和移動通訊性能優越的口和耳。在太空合成的高質量的碲鎘汞單晶，用于制造紅外探測器，則是導彈、遙感衛星更為敏銳的眼睛。

　　人類在空間制造材料，目前還處在試驗和起步階段。今后隨著有關學科和技術的進步，一定會得到更大發展，從而更加廣泛地服務于國防和國民經濟建設。

　　3.影響熔點的因素

　　熔點，實質上是該物質固、液兩相可以共存并處于平衡的溫度，以冰熔化成水為例，在一個大氣壓下冰的熔點是0℃，而溫度為0℃時，冰和水可以共存，如果與外界沒有熱交換，冰和水共存的狀態可以長期保持穩定．

　　物質的熔點并不是固定不變的，有兩個因素對熔點影響很大．

　　（1）壓強。平時所說的物質的熔點，通常是指一個大氣壓時的情況；如果壓強變化，熔點也要發生變化。熔點隨壓強的變化有兩種不同的情況．對于大多數物質，熔化過程是體積變大的過程，當壓強增大時，這些物質的熔點要升高；對于像水這樣的物質，與大多數物質不同，冰熔化成水的過程體積要縮小(金屬鉍、銻等也是如此)，當壓強增大時冰的熔點要降低。

　　如下兩圖中OL稱為固液兩相平衡曲線，又稱為熔化曲線．該曲線的左方表示固相穩定存在的區域，右方一定的區域是液相穩定存在的區域，而線上的任一點，都代表固液兩相平衡共存的狀態。OL線表示了該物質的熔點隨壓強變化的規律。兩圖中OL線的斜率都很陡，說明物質的熔點隨壓強的變化很小，例如冰的熔點，每增加一個大氣壓，熔點才下降0.0075℃，而要使冰的熔點下降1℃，則必須使壓強增加1.75X107Pa，約為大氣壓的170倍。兩個圖的斜率的正或負，反映了兩類物質隨壓強的增大，熔點升高或降低的規律。

　　（2）溶有雜質。以上討論的都是純凈的液態物質，如果液體中溶有少量其他物質，或稱為雜質，即使數量很少，物質的熔點也會有很大的變化，例如水中溶有鹽，熔點就會明顯下降，海水就是溶有鹽的水，海水冬天結冰的溫度比河水低，就是這個原因．飽和食鹽水的熔點可下降到約-220℃，北方的城市在冬天下大雪時，常常往公路的積雪上撒鹽，只要這時的溫度高于-22℃，足夠的鹽總可以使冰雪熔化．合金又稱為固態溶液，因為合金在液態時也可以看做是一種金屬溶于另一種金屬之中的溶液，因此合金的熔點比單質低屬熔點要低，而且比組成合金的每一種金屬的熔點都低．例如錫的熔點是232℃，鉛的熔點是327℃，按一定比例組成的鉛錫合金的熔點則只有170℃，而由鉍、錫、鉛、鎘組成的合金的熔點可降低到70℃，常應用來制作保險絲、焊絲等。

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