《3.2熔化和凝固》课堂教学实录

1、3.2 熔化和凝固课堂教学实录教学目标】知识目标1. 理解气态、液态和固态是物质存在的三种形态2. 了解物质的固态和液态之间是可以转化的3. 了解熔化、凝固的含义，了解晶体和非晶体的区别4. 了解熔化曲线和凝固曲线的物理含义 .能力目标1. 通过观察晶体与非晶体的熔化、凝固过程培养观察能力2.通过探究固体熔化时温度变化的规律，感知发生状态变化的条件. 培养学 生的实验能力和分析概括能力 .3. 通过探究活动，培养学生认识图象、利用图象的能力德育目标1.通过教学活动， 激发学生对自然现象的关心， 产生乐于探索自然现象的情 感.2. 通过实验培养学生善于实践和勇于克服困难的良好意志和品质教学重点】

2、通过观察晶体与非晶体的熔化、 凝固过程培养观察能力， 实验能力和分析概 括能力 .教学难点】指导学生通过对实验的观察， 分析概括，总结出固体熔化时温度变化的规律， 并用图象表示出来 .教学方法】 观察法、实验法、分析法、讨论法 .教学用具】酒精灯、铁架台、石棉网、温度计二支、海波、石蜡、水、火柴、坐标纸、 投影仪.教学过程】 、创设情境，提出问题，导入新课师春天来了，河面上的冰开始熔化成水 . 炎炎的夏天，洒在地上的水干 了，变成看不见的水蒸气，跑得无影无踪 . 想了解这是为什么吗？我们从这节课开始学习 . 在你们小学自然常识中学过自然界的物质，还记得吗？生甲自然界的物质常以固态、液态和气态三

3、种形态存在着生乙冰是固体，水是液体，水蒸气是气体生丙物质的状态不是一成不变的 . 当物体温度发生变化时，物质的状态也往往发生改变 .师大家回答地很好 . 确实是随着温度的变化，物质会在固、液、气三种 状态之间变化 .通常是固态的铝、 铜、铁等金属，在很高的温度时也会变成液态、气态；通常是气态的氧气、氮气、氢气等，在温度很低时也会变成液态、那么，水结成冰和冰熔化成水属于什么过程？固态生甲物质从固态变成液态的过程叫做熔化（ melting ）. 生乙冰熔化成水属熔化过程 .生丙物质从液态变成固态的过程叫做凝固（ solidification）.生丁水结成冰属凝固过程 .师我们这节课就来研究物质的熔

4、化和凝固与什么因素有关系，有什么样的变化规律 .1. 熔化和凝固（板书）物质从固态变成液态的过程叫做熔化 （melting ），从液态变成固态的过程叫做凝固( solidification).探究固体熔化时温度的变化规律 .师不同物质在由固态变成液态的熔化过程中， 温度的变化规律相同吗？生甲应该不相同 .生乙固态的铝、铜、铁等金属，在很高的温度时才会变成液态 . 冰熔化成水不用很高的温度 .生丙不管在很高温度还是不太高的温度时变成液体， 是不是都需要给物质加热？生丁熔化过程中一定要加热，所以物质一定要吸收热量生戊熔化过程中给物质加热，这时温度是不断上升，还是不变？师现在提出了固体熔化时温度是怎

5、样变化的问题， 大家相互讨论， 利用 桌子上的仪器通过探究实验来解决 . 先制订计划和方案 .方案一把装有一些海波的试管放在盛水的烧杯里， 用酒精灯通过烧杯和水给海波均匀、缓慢地加热，并搅拌 . 装置如课本图 4.2 1，注意观察温度计读数和海波的状态变化，当温度达到 40 C时，每隔1 min记录一次温度，在海波完全熔化后再记录45次.填入表中.方案二把石蜡放在试管里再放入盛水的烧杯里， 用酒精灯通过烧杯给石蜡均匀、缓慢地加热 . 装置如课本图 4.21，注意观察温度计读数和石蜡的状态变化.当温度达到40 C时，每隔1 min记录一次温度，在石蜡完全熔化后再记录45次.填入表中.师这两个方案

6、都很好， 且可行 . 我们可按照这两个方案来做实验 . 我们先看挂图 . 注意酒精灯的使用方法 .学生看完后， 宣布开始分组实验， 教师巡视，随时指导、 帮助学生解决问题 . 师请同学们根据海波和石蜡加热过程中温度随时间变化的情况， 并结合自己实验分析一下， 海波和石蜡熔化过程有什么特点？从中可以找出什么规律？生甲给海波加热，海波温度不断升高，当温度上升到48 C,时，开始48 C不变，直到在整个熔化过程熔化，在熔化过程中虽然还在继续加热，但海波的温度却保持 完全熔化后温度才继续上升 .生乙在给石蜡加热，石蜡先变软，然后逐渐变成液态，中，石蜡的温度不断上升 .生丙从我们组对海波熔化实验现象的分

7、析讨论， 认为这个现象表明， 海 波在一定温度下熔化，在熔化过程中吸收热量，温度保持不变 .生丁我们组对石蜡熔化实验的现象进行分析讨论，认为这个现象表明， 石蜡没有一定的熔化温度 . 在熔化过程中吸收热量 .师同学们回答地很好，实验观察很仔细，每组同学都团结协作，讨论也4.2然后很激烈 . 我很高兴，看来大家对学物理很感兴趣 . 现在我们打开课本，看图2 和图 4.2 3；方格纸上纵轴表示温度，温度数值已经标出；横轴表示时间，自己写上， 根据你们的实验数据， 在表中各个时刻的温度在方格纸上描点， 将这些点用平滑曲线连接，便得到熔化时温度随时间变化的图象学生们画图，教师巡回指导 师同学们根据你对

8、实验数据的整理和分析，总结海波和石蜡在熔化前、熔化中和熔化后三个阶段的温度特点 .生甲 海波在熔化前温度升高， 在熔化中温度不变， 在熔化后温度继续上升.生乙石蜡在熔化前、熔化中、熔化后三个阶段的温度都在上升 师现在我们回想实验过程， 有没有可能在什么地方发生错误？相互讨论你们进行论证的根据充分吗？实验结果可靠吗？并与同学们进行交流 .看看你们的结果和别的小组的结果是不是相同？如果不同，怎样解释？写出实验报告学生们相互讨论、教师巡回指导 .师从海波和石蜡的熔化实验，我们还能总结出什么？ 生甲有些固体在熔化过程中尽管不断吸热， 温度却保持不变， 这类固体有确定的熔化温度，叫做晶体( crysta

9、l ).生乙有些固体在熔化过程中，只要不断地吸热，温度就不断地上升，没 有固定的熔化温度，这类固体叫做非晶体( noncrystal ) .生丙晶体熔化时的温度叫做熔点( melting point ).生丁晶体有熔点、非晶体没有熔点 .师晶体除熔化时有一定温度， 在晶体凝固时也有一定温度， 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 . 非晶体没有凝固点 .2. 熔点和凝固点(板书)1 )熔点晶体熔化时，有一定熔化温度叫做熔点2)凝固点晶体凝固时，有一定凝固温度叫做凝固点生甲晶体的熔点一般是不同的 . 知道熔点和凝固点有什么用？ 师那你们想想：“为什么灯泡内的灯丝要用钨丝？” “

10、水银能用来做寒暑表中的液体吗？”生甲钨的熔点为3410 C,用来做灯丝，不容易烧断.生乙水银不能用来做寒暑表中的液体，它的凝固点为-39 C,太低.师看来大家已知道它们的用途，看投影课本图4.2 4 和图 4.2 5. 思考想想议议 .想想议议生甲AB段为固态，温度不断升高.生乙B时刻为固态，C时刻全部变为液态，BC段为固液共存态，吸收热 量，温度不变 .生丁 CD段为液态，温度升高.生戊EF段为液态，温度下降.生己F时刻晶体开始凝固，到G时刻全部变为固态，FG之间是固液共存 态、温度不变 .生庚GH为固态，温度随时间下降.生辛黑龙江省北部最低气温曾经到过-52.3 C,这时不能使用水银温度计

11、，可用酒精温度计 .师回忆海波的熔化实验过程和温度变化，看看还能找到什么规律 生甲在海波的熔化实验和石蜡熔化实验中，无论温度变否都需要加热 生乙在凝固过程温度不变，却继续放热 生丙这说明晶体和非晶体在熔化过程中要吸热 生丁晶体和非晶体在凝固过程中要放热 师北方的冬天， 菜窖里放几桶水， 可利用水结冰时放的热使窑内的温度不会太低，菜不会冻坏 .3. 熔化吸热 凝固放热（板书）、小结本节课我们学了熔化和凝固，通过对固体熔化时温度的变化规律的探究 . 我 们知道了晶体有熔点和凝固点，非晶体没有熔点和凝固点 . 同种晶体熔点和凝固 点相同 . 熔化要吸热，凝固要放热 .三、布置作业阅读P57动手动脑学

12、物理1，2，3,4.四、板书设计1. 熔化和凝固熔化物体从固态变成液态叫熔化 .凝固物体从液态变成固态叫凝固2. 熔点和凝固点熔点一一晶体熔化时，有一定熔化温度，叫做熔点凝固点晶体凝固时，有一定凝固温度，叫做凝固点3.熔化吸热，凝固放热.五、课后练习1.当晶体的温度正好是熔点或凝固点时，它的状态为（）A. 定是固体B. 定是液体C. 可能是固体D. 也可能是固液共存E. 可能是液体2. 把正在熔化的冰拿到温度为0 C的房间里，冰能不能继续熔化？为什么？3. 把盛有碎冰块的大试管插入烧杯里的碎冰块中，用酒精灯对烧杯底部慢慢加热，当烧杯中的冰块有大半熔化时，试管中的冰（）A. 熔化一部分B. 全部

13、熔化C. 一点也不熔化D. 无法判断4.保温瓶中有1000 g水，水温为0C,当向瓶中放10 g-2C的冰块后,盖好瓶口的软木塞，下列说法正确的是（A.有少量冰熔化成水B. 有少量水结成冰C. 冰和水温度都不会变D. 冰和水的质量都不会改变5.下列图象中，表示萘熔化的图象是1沮丿毁参考答案1. 答案： CDE解析：晶体在整个熔化（凝固）过程保持温度不变 . 这个温度为熔点（凝固 点），那么在此温度下，晶体就既有可能是固体（也许正准备熔化或刚凝固完）也可能是液体（也许刚熔化完或正准备凝固） ，也可能是正在熔化过程中或正在 凝固过程中 . 所以可能是固体、可能是液体、可能是固液共存2.答案：冰不能

14、继续熔化、 因为冰是晶体， 它在熔化过程中要不断地从外界 吸收热量，正在熔化的冰温度是 0 C,而房间的温度也是0 C,因此正在熔化 的冰吸不到热，所以不能继续熔化 .解析：晶体物质的熔化和凝固过程要满足两个条件： 一是温度达到熔点 （凝 固点）；二是要不断吸热（或放热） . 要吸热（放热）发生热传递，必须存在温度 差.而正在熔化的冰，温度是0 C,房间温度也是0 C,不能发生热传递，冰不能吸热 . 所以不能继续熔化 .3. 答案： C解析：根据题意，大试管和烧杯中均有碎冰 . 对烧杯加热的结果，烧杯内的 冰吸热熔化，当烧杯内的一部分冰熔化后，烧杯内为冰水混合物，它的温度为0 C不变，大试管放

15、在烧杯里，与烧杯内冰水混合物没有温度差，不吸热，所以 试管内的冰不会熔化 .4. 答案： B解析：冰熔化过程要满足两个条件：一是达到熔点；二是能吸热.而此题0C 水比-2 C的冰质量大的多，相互接触-2 C冰和0 C水有温度差，-2 C冰要吸热，温度最高达到0 C，不能再吸到热，不会熔化.0 C水要放热，少部分水就 凝固成冰，所以有少量水结成冰 .5. 答案： D解析：萘是晶体，有确定的熔点，在图象上应当有与时间轴平行的线段，从 图中看出，A、B两个图的曲线温度随时间连续升高或降低，是非晶体的熔化和 凝固图象，选项A B均不正确.图C表示物质温度下降，说明此过程放热，是由液态变为固态，是该晶体

16、的凝固图象，选项C不正确.图D是萘的熔化曲线.固态 萘吸热温度升高， 在熔化过程继续吸热温度不变， 直至全部为液体， 吸收热量温度升高，所以选项D正确.活动与探究课题液体凝固时温度的变化规律 内容我们探究了固体熔化时温度的变化规律 . 我们知道晶体在熔化过程中吸热温度保持不变， 这个温度叫熔点 . 非晶体在熔化过程中吸热温度不断升高 .非晶体没有熔点 . 我们还知道晶体也有凝固点，非晶体没有凝固点，对于同种晶 体，它的熔点和凝固点相同吗？怎么来加深对凝固过程的理解呢？过程提出问题后，教师鼓励学生相互讨论 . 找解决问题的方法 . 生甲我们可以对实验进行观察、来加深理解 .师第一：要做好实验，就

17、要做好以下几点：制定可行方案第二：组装好仪器第三：仔细观察第四：做好记录总结出规律这就要我们弄清楚如下问题：第一：按照课本图 4.21 组装好仪器，给海波和石蜡加热，等它们完全熔 化后，再加热五分钟记下温度 .第二：撤去酒精灯，第隔 1 min 记录一次数据 .并注意观察状态 .第三：全部凝固后，继续记录 5 min. 第四：在方格纸上的纵轴表示温度； 横轴表示时间绘出凝固时温度随时间变化的图象 .结果1.撤去酒精灯后，海波温度不断降低，当温度下降到48 C时，开始凝固，在凝固过程中虽然还继续放热， 但温度不变， 直到完全凝固后温度才下 降，这个现象表明，晶体在一定温度下凝固，在凝固的过程中都

18、要放热，温度保 持不变，且凝固温度（凝固点）与熔化温度（熔点）相同 .2. 撤去酒精灯，蜡的温度不断下降，在凝固过程中放热，温度不断下降 . 这 一现象表明非晶体没有一定的凝固温度（凝固点） ，凝固过程中放出热量 .备课资料1. 秦王的水晶宫两千多年以前， 秦王建造了一座非常豪华的宫殿， 里面有许多铜柱子， 夏天 走进宫殿会感到冷气沁人， 如同进了水晶宫， 这是什么原因呢？奥妙就在这一根 根铜柱子上面 . 原来，这些铜柱是空心的，盛夏来临时，就把冬天收藏在冰窖里 的天然冰块装进铜柱里， 我们知道， 冰块在熔化成水的过程中吸收大量的热， 而 且远远比其他别的物质熔化时吸收的热量多， 铜又是传热的

19、良导体， 当铜柱里的 冰熔化时，铜柱从周围空气吸热，使整个宫殿里的温度大大降低 . 这些铜柱不仅 支持着宫殿的屋顶，使宫殿显得豪华高贵，而且还是消暑降温的装置呢！2. 我国固体熔化与过热研究进入国际视野“引发固体熔化的控制因素长久以来一直无法确定， 最新的模拟计算成功将不同的观点统一起来.”著名物理冶金学家、剑桥大学罗伯特-卡恩（R-W-CAHN2001年10月11日在自然（NATUR）杂志上发表了题为“从晶体内部熔化”的论文，高度评价了中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室的金朝晖和卢柯博士等近期在熔化研究领域做出的研究成果 .近一个世纪以来，熔化都是学界关注的热点 . 人们想知道，为什

20、么晶体发生 熔化？是什么决定了晶体的熔化温度？在对熔化问题的研究中，林德曼（Lindemann）和波恩（Born）判据为大家公认.林德曼认为晶格原子的振幅超过定限度时，将会引起晶格失稳并导致熔化 . 这一判据可以解释，晶体表面先于 芯部熔化主要是因为表面原子振幅相对较大 . 而波恩则认为熔化是晶格刚性失稳 的结果，简而言之就是晶体的刚度不足以抵抗熔化 . 大块晶体的剪切弹性模量于 熔点温度消失是其具体的表现形式 . 由于这两种观点均具有合理性，熔化研究者敏锐观察到由两种方法预也分别采纳了不同的观点，但却没有人注意到它们之间可能存在的内在联系金朝晖博士等在研究晶体极限过热熔化的过程中， 测的晶体

21、极限过热温度非常相近 . 为了弄清晶体过热熔化过程的控制因素这一基 本问题，他们选择了计算机模拟技术（分子动力学模拟） . 他们在研究中发现， 理想晶体在高于平衡熔点 20%的温度（按照绝对温标）开始熔化 . 在过热的理想 晶体中，局部区域会自发地形成几十至数百个排列无序的原子组成的特征原子集 团，随即这些原子集团会关联，合并进而诱发整个晶体的熔化 . 相关计算表明， 理想晶体发生熔化时的弹性剪切模量减少到零， 符合了波恩判据； 而过热熔化时 原子相对振幅的均方根统计平均为 22%，大于平衡熔点时林德曼判据的 12%，但 理想晶体原子的表现却与实验中晶体表面熔化时相当， 晶体表面熔化和内部熔化

22、 遵从相同的振幅判定规律 . 由此可见，针对理想晶体过热熔化，振幅判据和刚性 判据是统一的 .卡恩教授认为该项研究成果最具有创新价值的地方在于： 利用计算模拟不但 可以计算整个系统的运动参量，还可以追踪局部原子的运动状态 . 并可以得出结 论，由林德曼判据和波恩判据共同控制的晶格原子局域失稳是极限过热温度下晶 体熔化的主要原因 . 该结论从原子层次上解决了熔化发生机制的问题从另一个角度看，“林德曼”原子团为过热晶体中的液相均匀形核提供了条 件，进一步验证了卢柯博士等提出的晶体熔化均匀形核动力学灾变理论 . 这些研 究成果将晶体熔化的林德曼热振幅判据、 波恩刚性失稳机制和动力学均匀形核失 稳机制

23、紧密联系起来， 提供了过热晶体熔化的完整图像， 大大深化了人们对晶格 热稳定性的认识 .在国家自然科学基金和科技部的资助下， 通过广泛的国际合作， 经过近七年 的坚持不懈的努力， 由卢柯研究员领导的熔化研究小组取得了令人瞩目的研究成 果，相继在国内外高影响力杂志上发表论文 20 余篇. 尤其是从 1998 年到 2001年，物理评论快报(Phys.Rev.Lett )先后发表了他们的三项研究成果：提出晶体熔化均匀形核动力学灾变机制， 预测了迄今最低的晶体过热极限温度； 首次 实现了受限纳米薄膜的过热并阐明了薄膜过热的热力学原因； 由模拟计算从原子 层次揭示理想晶体的极限过热熔化过程，找出了已有

24、熔化理论判据的内在联系 这些成果赢得了国外同行的关注和高度评价 .3. 晶体的熔化在某一温度下， 原本有规则排列晶体， 吸收周围的能量， 使固体分子产生剧 烈的振动或转动， 分子逃离原本的位置， 使原来的结构破坏， 而变成较散乱的排 列，这个过程称为熔化 .当纯固体加入杂质时， 会破坏原本晶体分子的规则排列， 而使分子间吸引力下降，所以熔化所需能量便会减少，因此造成熔点下降 . 我们可以发现： 1 ： 4 或4 : 1混合的熔点比1 : 1的熔化温度大得多，这是因为1 : 1混合的化合物，分子的排列较规则，而1 : 4或4 ： 1混合的化合物，可以把1的部分看成杂质，这样的分子排列会显得较不规

25、则.但并不是每种化合物都是在1:1的组成比例下 排列最规则， 必须视混合物组成分子的大小、 结构来决定， 另外作熔点检测的时 候，注意一次不能填充太多化合物，大约 0.05 mm即可，不然可能使测得的熔化范围拉大，填充更要紧密一些，否则若空气太多，能量都用来加热空气，造成能 量浪费，compounc也不可重复使用，因为此时熔化过的化合物，可能测的组成比例的化合物了，所以不可重复使用，尽管1 : 1所测得的熔化范围较小，但毕竟是混合物， 因此熔化范围不可能小到比纯物质还小， 只是比另外二种比例的混 合物来的小 .4. 物质有多少种状态自然界的物质都是由大量微观粒子构成的 .当大量微观粒子在一定的

26、压强和温度下相互聚集为一种稳定的状态时， 就叫做“物质的一种状态”，简称为物态 .在 19 世纪，人们还只能根据物质的宏观特征来区分物质的状态，那时还只知道 有三种状态，即固态、液态和气态 . 初中讲物态变化，就是讲这三种常见的物质 状态间的变化问题 .气体物质处于高温状态下， 原子、分子激烈碰撞被电离， 或者气体物质被射 线照射以后， 原子被电离， 整个气体含有足够数量的离子和带负电的电子， 而且一般情况下正负电荷量几乎处处相等，这种聚集态叫等离子态. 如果物质处于极高的压力作用下 .例如压强超过大气压的 140万倍，组成物质的所有原子的电子壳层都会被“挤破”，电子都变成为“公有” ，原子失

27、去了它原来的化学特征 .这些“光身”的原子核在高压作用下会紧密地堆积起来（当然，再紧密也会有电子 存在和活动的空隙），成为密度非常大的（大约是水的密度的 3万至 6.5 万倍） 状态，称为超固态 . 有些书籍把等离子态称为物质的第四态，把超固态称为物质 的第五种状态 .进一步从物质的内部结构去考虑，物态就远不止这几种了 . 例如，在固体物 质中. 有的其内部微粒呈周期性，对称性的规则排列，称为结晶态 .而另外一些，如玻璃、沥青等物质，常温下虽然也有固定的体积，不能流动，但其内部结构则 更象液体，称为玻璃态（非晶体） . 还有一些有机物质，能够流动，又具有某些 晶体的光学特征，是介于液态和结晶态之间的状态，称为液晶态 . 很多物质在极 低的温度下，会出现电阻消失的现象、称为超导态；在极低的温度下，某些液体 的粘滞性会完全消失，叫做超流态 . 在巨大的压力下，平时是气体的氢可以转变 为具有金属特性的固态，称为金属氢态 .天文学家发现，在宇宙中存在着比超固态密度更大的物质状态， 例如组成中子星的中子态， 还有密度更高的超子态， 反 常中子