资源简介

课题二 熔化和凝固
教学目标
素养要素 课时学习目标
物理观念 1．能描述固态、液态、气态三种物态的宏观特征，知道物质能在三种物态之间发生相互转化。 2．知道晶体熔化时吸热温度不变，非晶体熔化时吸热温度会变，能够区分晶体和非晶体。 3．知道液体凝固形成晶体的过程放热温度保持不变，液体凝固形成非晶体的过程放热温度会变。 4．能够运用熔化和凝固等知识解释自然界和生活中的相关现象。
科学思维 1．能够基于实验数据和观察，通过逻辑推理归纳出物质熔化的内在规律。能基于严谨的论证质疑既有结论，提出合理见解。 2．学会运用演绎思维，基于已归纳的晶体与非晶体的熔化规律，进行逻辑推理，预测这两类物质的凝固规律。
科学探究 1．能针对晶体物质的熔化现象，设计实验方案并进行实验探究。 2．能够实时、准确地观察固体熔化过程中的状态变化，并记录相应的温度数据，提升观察能力和实验操作技能。 3．能够利用收集到的数据，整理成表格或绘制温度随时间变化的图像，并将其作为实验证据，得出科学的结论，提升数据分析与处理能力。 4．能够清晰地表达自己在实验过程中的观察、数据分析和结论，与同伴进行交流，进一步理解不同物质熔化规律之间的差异和联系。
科学态度与责任 1．增强对科学探究的兴趣和好奇心，积极参与实验观察和讨论。 2．实验过程中，能坚守诚信原则，不篡改任何实验数据，养成严谨、实事求是的科学态度。
重点难点
重点：经历熔化的实验探究过程，知道物质的熔点和凝固点。了解晶体和非晶体物质熔化和凝固的规律。
难点：判断物态变化的种类，运用熔点和凝固点的知识解释自然界和生活中的有关现象。
重难点分析：经历熔化的实验探究过程，知道物质的熔点和凝固点，了解晶体和非晶体
物质熔化和凝固的规律之所以是重点，是因为熔化和凝固是物质状态变化的基础，通过实验探究和理论学习，学生能够深入理解物质的熔点和凝固点，掌握晶体与非晶体的特性，为后续学习奠定坚实基础。而准确判断物态变化并应用熔点和凝固点知识解释实际现象，需要综合运用理论知识和实践经验，对学生来说具有挑战性，因此成为难点。
重难点教学策略：
1．观察和实验法教学策略：引导学生观察生活现象与科学实验，理解物质三态及其转换。利用现代手段强化实验效果，清晰展现固体熔化过程。
2．分组实验教学策略：学生分组进行实验，亲自观察记录固体熔化过程中的温度变化和物质状态的变化，培养科学态度和实验习惯。
3．基于数据和图像的分析教学策略：实验后引导学生利用数据表格和图像分析物体熔化时的温度变化规律，深化理解。
4．对比和归纳教学策略：通过对比不同物质的熔化过程，发现不同物质熔化过程中温度变化规律的差异，科学推理凝固过程和凝固点。
学习活动设计
本课时学习活动流程大致如图3.2-1所示。
一、基于情境，提出问题
设计思路：创设关于物质状态发生变化的情境，激发学生的好奇心和求知欲，引出本课时的研究内容：物质在固态和液态间变化的规律。
师：（展示从冰柜里拿出的冰块）天气热的时候，从冰柜里拿出来的冰块，一会儿就变成了水。冰在变成水的过程中，它的状态发生了怎样的变化？
生：冰是固态，水是液态，所以冰由固态变成了液态。
师：在状态变化的过程中，冰需要吸热还是放热？是否需要特定的条件？今天我们将聚焦于探究固态与液态相互转化过程中温度变化的特点，以及这种物态变化过程中是否伴随着能量的吸收或释放。
二、分析问题，展开探究
探究任务1：描述物质三种状态的宏观特征，认识物态变化、熔化和凝固的概念
设计思路：首先，让学生回顾和描述物质的三种状态的宏观特征，并引出物态变化、熔化和凝固的概念。接着，以冰变成水为例，引导学生思考如何准确判断熔化过程的开始和结束，以加深对物态变化的理解，为接下来的实验探究作铺垫。
师：冰变成水，再过一段时间水干了，变成看不见的气态水蒸气，跑得无影无踪。固态、液态和气态是物质常见的三种状态。从宏观视角来看，这三种状态各有什么特点呢？如是否有固定形状和体积？是否具有流动性？
生1：固态有固定形状和体积，不易流动。
生2：液态则无固定形状，但有一定的体积，具有流动性。
生3：气态无固定形状和体积，能充满容器，同样具有流动性。
师：物质各种状态间的变化叫作物态变化。其中，物质从固态变成液态的过程叫作熔化，从液态变成固态的过程叫作凝固。那么，冰变成水属于哪种物态变化？
生：冰变成水属于熔化。
师：如何才能准确判断冰熔化的开始与结束？
生：可以通过观察来确定。当观察到固态冰表面开始有液态水出现时，便是熔化的开始。当观察到固态冰完全变成液态水时，就意味着熔化的结束。
探究任务2：探究晶体和非晶体熔化时温度的变化规律，认识晶体、非晶体的特点和熔点的概念
设计思路：首先探究晶体熔化的规律，引导学生根据实验目的设计实验方案并讨论完善。学生分组操作，观察物质的状态变化，记录温度数据，绘制物质的熔化温度图像。通过分析数据和图像，学生发现晶体物质熔化时温度不变的规律，体会图像分析法在物理研究中的重要性。随后，教师提出问题：是否所有物质在熔化时都遵循这一规律？引导学生选取非晶体物质作为研究对象，探究其熔化过程中的温度变化。最后，通过对比不同物质熔化时的温度变化规律，引导学生理解晶体、非晶体的特点和熔点的概念。
1．探究冰熔化时温度的变化规律
师：生活经验告诉我们，水加热温度会升高，那么冰加热熔化时，温度会如何变化呢？接下来，我们探究冰熔化时温度的变化规律。请大家设计实验方案，并考虑所需器材，确保方案的科学性和完整性。
（1）交流讨论实验方案和实验器材
师：请各小组代表依次分享实验方案。
生1：我们组的实验方案是使用酒精灯对冰块进行加热，并利用温度计测量冰的温度，同时观察冰的状态变化，并记录温度计的读数。
师：其他小组有补充或建议吗？
生2：现在室温是28℃，冰在室温下就可以熔化。
待学生明确实验目的和实验方案后，指导学生设计记录表格，强调记录数据与观察的重要性。学生尝试设计后，教师展示并引导学生相互点评，提出改进建议。
师：这是你（生3）设计的实验记录表格（见下表），在完成实验后，你会如何分析冰熔化过程中温度的变化规律呢？
实验数据记录表1
时间／min
温度／℃
生3：看温度栏目中温度的变化情况。
生4：实验目的是“观察冰变成水的过程中，物质温度随时间的变化”，通过查看表1中的数据你是怎么知道哪段时间是冰的熔化过程？
生5：我觉得应该增加记录“物质状态”栏目，以明确冰熔化的时段。
教师展示修正后的数据表格（见下表），并指导学生使用正确的描述方式记录冰的物态变化，如物质熔化时的状态为“固液共存”。
实验数据记录表2
时间／min
温度／℃
物质状态
（2）学生分组实验，探究冰熔化过程中温度的变化规律
学生活动：领取如图3.2-2所示的实验器材，进行分组实验。
教师活动：巡视学生的实验操作，确保他们能正确进行实验，同时也会注意收集各小组的实验数据，以便后续分析。实验结束后，教师邀请部分小组代表上台展示、分析实验数据表格，总结冰在熔化时温度的变化规律。
试管内装有冰，温度计的玻
生：这是我们组的实验数据（见下表），通过观察发现冰在熔化过程中温度保持不变。璃泡被冰包裹
图3.2-2
实验数据记录表3
时间 0 1 min 1 min 43 s 2 min 30 s 3 min 4 min 4 min 40 s 5 min 40 s
温度／℃ -5 -2 0 0 0 0 0 1
物质状态 固 固 固液共存 固液共存 固液共存 固液共存 液 液
师：你是怎么从表里看出这段温度不变的时间是熔化过程的呢？
生：我们观察到在1min43s时试管内的冰中有液态的水出现；在4min40s时，冰完全消失，试管内全是水。
教师询问其他小组是否也有相同的实验结论，学生确认得到相同的结论。教师进一步提问：冰在熔化过程中是否需要吸热？帮助学生从周围空气温度高于冰推理得到冰会吸收热量。随后，教师指出除了通过表格，还可以采用图像分析的方法总结冰熔化时的温度变化规律。指导学生用纵坐标表述温度，横坐标表示时间，将数据表格中各个时刻的温度在方格纸上描点，然后将这些点用平滑曲线连接起来，从而得到冰变成水过程中温度随时间变化的图像。
学生独立绘制图像。
师：这是一位同学绘制的冰变成水过程中温度随时间变化的图像（图3.2-3）。通过图像，你能判断哪段时间是冰的熔化过程吗？
图3.2-3 图3.2-4
生：不行。应该在图中标示出冰开始熔化和结束熔化的时刻（图3.2-4）。
师：很好。对比数据表格，图像能够直观体现出一个物理量（如温度）随另一个物理量（如时间）变化的情况。请没做标示的同学在自己的图像上补上。
2．探究石蜡熔化时温度的变化规律，认识晶体、非晶体的特点和熔点的概念
师：我们了解到冰在熔化时会吸热，但温度不变。这个规律是否具有普遍性？是否所有物质在熔化时都遵循这一规律？为了解答这个问题，我们接下来应该怎么操作？
生：我们可以尝试用其他物质做实验，看看它们熔化时的温度是否不变，若其他物质熔化时温度也保持不变，则说明这些物质与冰遵循相同的熔化规律。
教师指导学生研究石蜡的熔化规律。实验过程中，教师巡视学生实验操作，给予必要的指导。学生分组实验，观察、记录石蜡的状态变化与温度。最后，师生共同分析数据，探讨石蜡熔化规律是否与冰的相同。
生1：我们发现石蜡熔化时温度持续上升，与冰的规律不同。
师：其他小组也得到这个结论吗？
生2：是的，我们小组得到的结论也是这样的。
师：很好，同学们观察很仔细。石蜡和冰在熔化时温度的变化规律不同。通过这两个实验，你们有什么发现？
生：仅凭一两次实验就得出科学规律是不严谨的。石蜡实验证明了冰的熔化规律不适用于所有物质。
师：科学家经过大量的研究发现，固态物质分两类，一类熔化时温度保持不变的物质，叫作晶体；另一类熔化时没有固定熔化温度的物质，叫作非晶体。晶体熔化时的温度叫作熔点。
说明：虽然晶体和非晶体的熔化实验不是《课标（2022年版）》规定的学生必做实验，教材也已将其调整为演示实验，但教学中采用分组实验，能使学生清晰地观察到物质完整的熔化过程。利用冰盐水制冰的具体操作如下：如图3.2-5所示，教师在课前先往直径约1.5cm的小试管内注入适量的纯净水（约5mL），再用橡胶塞将温度计固定在小试管内的适当位置，确保温度计的玻璃泡完全浸没在水中。最后，将装有水的试管置于温度低于-10℃冰盐水中（关于冰盐水的制作可参考第一课时中的相关说明），试管内的水会在1～4分钟内凝固成冰并保持低温。待实验开始时，从低温的冰盐水中拿出试管发给学生，保证学生实验开始时试管内所有物质均为固态。
晶体熔化分组实验的材料，除了冰，还可以考虑选用低熔点的镓合金或硫代硫酸钠（俗称海波）。关于镓合金，网上有多种熔点可选。教师可以根据需求进行选择，图3.2-6中实验所用的镓合金熔点为30℃。经过实验发现，若镓合金质量控制在3g以内，可在13min 内获得其完整的熔化过程温度变化曲线（图3.2-7）。
图3.2-5
熔点为30℃的镓合金 镓合金熔化实验装置 镓合金熔化实验中温度的变化曲线
图3.2-6 图3.2-7
关于海波，若采用传统的水浴法（图3.2-8）进行加热，只需增加一支温度计测量烧杯中水的温度进行辅助观测，适时撤离酒精灯，以便控制试管内外的温差维持在约7℃。通过这种操作，也可以得到较理想的实验数据。在条件允许的情况下，也可以采用能实现温度的自动控制和采集的实验装置（图3.2-9）进行海波熔化实验，实现自动控制加热温度和记录温度敫据。该装置包括试管、玻璃棒、温度采集器、搅拌器、烧杯、电热丝以及单片机控制系统。其中，试管用于盛装海波，玻璃棒上固定有温度采集器探头，能够实时采集海波的温度数据并将其传输至电脑，从而直接获取海波熔化过程中的温度变化曲线。此外，使用搅拌器，以确保海波受热均匀。试管外部则配置烧杯、电热丝及温度采集器，整个系统由单片机进行控制，并通过铁架台进行稳固。该新型实验装置具有以下优势：（1）搅拌器在海波开始熔化的阶段启动，通过不断搅拌海波，使海波受热均匀。（2）单片机控制系统能够精确调控电热丝的工作状态，确保水温与海波之间的温差始终维持在7℃的范围内（图3.2-10）。这一设计旨在实现海波的缓慢升温，从而避免海波内外温差过大对实验结果的影响。（3）试管内的温度传感器能够实时捕捉海波熔化过程中的温度变化，并将数据传输至电脑端，从而绘制出海波熔化时的温度变化曲线（图3.2-11），为实验分析提供有力支持。
另外，部分教师为节省时间，把学生进行分组，部分组做晶体熔化实验，部分组做非晶体熔化实验。由于晶体与非晶体在熔化时温度变化规律不同，仅通过共享实验结果无法让学生充分体验和理解，建议每位学生都亲自参与晶体与非晶体的实验。考虑到冰、海波、镓合金同为晶体，熔化规律相似，可安排部分学生研究冰，部分学生研究海波或镓合金，并共享结果。这样既避免简单的重复，又能全面理解熔化现象，深化认识。
探究任务3：了解晶体和非晶体物质的凝固规律
设计思路：先引导学生回顾石蜡和冰的熔化过程；再通过提问的形式，引导学生类推得到：液体凝固形成晶体放热温度保持不变，液体凝固形成非晶体放热温度会变的规律；最后通过分析水和石蜡凝固时的温度图像去检验其推理的正误，了解凝固点的概念。
在探讨晶体和非晶体熔化后，引导学生探索物质的凝固规律。
师：水凝固成冰和液态石蜡凝固时，温度如何变化？判断依据是什么？
生1：水凝固成冰时温度不变，因熔化和凝固相反。
生2：同理，石蜡凝固时温度会下降，因熔化时温度上升。
师：那么，液体凝固时需要放热还是吸热？判断依据是什么？
生：我认为液体凝固需要放热，因为固体熔化需要吸热。
师：科学家发现，液体凝固形成晶体时需要放热，温度不变；液体凝固形成非晶体时需要放热，温度下降。现有两种物质凝固时的温度-时间图分别如图3.2-12中甲、乙所示。请判断甲乙哪个对应的物质固态时是晶体，哪个对应的物质固态时是非晶体？判断依据是什么？
甲 乙
图3.2-12
生：图甲对应的物质固态时是晶体。因为该物质凝固时温度不变。图乙对应的物质固态时是非晶体，因为该物质凝固时温度一直在下降。
师：当液体凝固形成晶体时有固定的凝固温度，叫作凝固点；当液体凝固形成非晶体时没有固定的凝固温度。同一种物质的凝固点和熔点相同。
三、意义建构，准确理解
任务：准确理解物质的凝固规律，以及熔点和凝固点的概念
设计思路；通过问题引导学生分析某物质温度随时间变化的图像，帮助学生准确理解晶体和非晶体的凝固规律，以及熔点和凝固点的概念，同时锻炼他们从非连续性文本中提取、分析和应用信息的能力，提升他们运用物理知识和规律解决问题的能力。
师：经过前面的学习，某同学知道海波是晶体，液态海波凝固成固态海波的过程中温度是不变的，现在他想做实验验证海波的凝固点是不是48℃。实验中，他发现无法通过观察确定液态海波何时全部变成固态海波，但通过温度传感器测得液态海波变成固态海波的过程中温度随时间的变化图线如图3.2-13所示。你们能根据前面所学的知识帮他判断何时所有的液态海波都能变成固态海波吗？
图3.2-13
生：能。由图像可知，海波在第6～10min中温度是不变的，这就是液态海波的凝固过程，所以液态海波的凝固结束时刻在第10min。
师：此过程温度不变，液态海波是放热还是吸热？
生：放热，因为凝固需要放热。
师：该同学测得液态海波的凝固点是多少？
生：约48℃。
师：若将25℃的固态海波置于40℃的恒温环境下，海波能熔化吗？判断依据是什么？
生：不能。因为40℃低于海波的熔点，海波无法熔化。
师：通过这个环节，大家不仅加深了对熔点、凝固点等物理概念的理解，还提升了用图像分析和解决问题的能力。
四、小结巩固，拓展应用
任务1：应用熔化、凝固和熔点的概念解释生活中的有关现象
设计思路：通过师生对话，引导学生结合课本知识分析实际生活中的现象，进一步巩固和应用所学的物态变化知识。培养学生的问题解决和知识应用能力，加深他们对物理知识与生活实践之间联系的理解。
师：同学们，某地局部气温曾经达到-58℃。请查阅课本小资料中标准大气压下一些晶体的熔点信息，判断在此极端环境下，是否还能使用水银温度计来测量气温？并说出你的判断依据。
生：我认为不能。因为液体温度计的工作原理是液体的热胀冷缩。查看资料可知，固态水银的熔点为-39℃，在-58℃的温度下，水银将处于固态，无法满足液体温度计正常工作的液态要求。
师：分析很到位。通过这个环节，我们成功地应用所学知识解决了实际问题。
任务2：小结本课时内容
师：同学们，可以分享一下你们今天学到了什么吗？
生1：学习了物态变化，以及熔化、凝固、熔点、凝固点等概念。
生2：经历了完整的科学探究过程，知道晶体熔化时吸热温度不变，非晶体熔化时吸热温度会变，懂得了如何区分晶体和非晶体。
生3：学会了利用表格或图像进行实验数据处理和分析。

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