選修3－3　9.1　固體：DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的比較以晶體熔化實驗為例

1、.DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的比較:以晶體熔化實驗為例1 晶體熔化實驗晶體熔化實驗是物理書上的一個重要的實驗，但是，這個實驗很難完成，一直困擾廣闊中學(xué)物理老師很多年。這個實驗需要學(xué)生通過自己親自實驗來證明：海波晶體在熔化過程中,吸收熱量但溫度不變；石蠟非晶體在融化過程中，吸收熱量同時溫度上升。1.1 晶體熔化的傳統(tǒng)實驗需要的儀器：海波 石蠟 、燒杯、溫度計、酒精燈、鐵架臺、細線、石棉網(wǎng)，攪拌器實驗?zāi)康模豪斫饩w海波在熔化過程中的溫度變化規(guī)律實驗原理：晶體海波熔化過程中由固態(tài)變化液體，繼續(xù)吸熱但溫度保持不變實驗步驟:1首先，按圖1裝置進展實驗組裝，固定好鐵架臺，放好酒精燈，鋪好石棉網(wǎng)，弄碎海波，然后，

2、把海波和溫度計一同放入試管中并固定好溫度計。最后，用酒精燈內(nèi)焰漸漸地加熱，防止海波溫度升高得過快。 2 用酒精燈緩緩加熱，等溫度到達43.0°C的時候，每隔1分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)記錄在表2中。我們發(fā)現(xiàn)：溫度計的示數(shù)一直上升，當(dāng)溫度到達47. 3時，海波晶體開場出現(xiàn)熔化，繼續(xù)加熱，溫度計示數(shù)僅僅維持一分鐘左右不變，之后，溫度計示數(shù)繼續(xù)上升，當(dāng)時，此時的海波晶體仍然有固體存在。等到海波晶體全部熔化完，繼續(xù)加熱，溫度計示數(shù)上升。加熱時間t/min 12345678910溫度t/43.045.246.047.347.348.048.749.051.053.0 表13 進展描點作圖，在

3、坐標(biāo)紙上畫出海波熔化時溫度隨時間變化的圖象，如圖13所示。4 物理老師和學(xué)生一起分析實驗圖像，歸納出海波晶體在熔化前，熔化中和熔化后三個時間段的溫度變化特點，使學(xué)生認(rèn)識到晶體熔化過程中的溫度特點-繼續(xù)吸熱，但溫度不變。 5 老師進展解釋為什么海波晶體在熔化過程中，繼續(xù)吸熱，但溫度不變。因為海波晶體在熔化過程中，分子運動加劇，分子之間間距變大，要增大分子之間的間距必然要抑制分子之間的引力，這就需要能量，而此時吸收的能量就用來抑制分子之間的引力了，因此晶體在熔化過程中繼續(xù)吸熱但溫度不變。實驗總結(jié)：通過傳統(tǒng)實驗中的圖像3，我們可以發(fā)現(xiàn)晶體熔化時溫度不變的時間段非常短，僅僅維持了1分鐘左右而已，并不能

4、明顯地反映出：晶體在熔化過程中，吸收熱量但溫度不變這一事實。晶體熔化的圖3幾乎就像非晶體熔化的圖像一樣。學(xué)生因此得出的實驗結(jié)論是：海波在熔化過程中，繼續(xù)吸熱，溫度不斷上升，與課本中所描繪的規(guī)律晶體熔化過程中，繼續(xù)吸熱，但溫度保持不變不同。學(xué)生因此很困惑，為什么實驗結(jié)論與課本上的不一樣呢？因此，晶體熔化的傳統(tǒng)實驗很難成功，我們來分析一下傳統(tǒng)物理實驗很難成功的原因： 1海波不宜導(dǎo)熱，會導(dǎo)致不同位置處海波的溫度不同，也就是試管周圍的溫度高于試管內(nèi)部,最終試管周圍的海波會先熔化，而試管內(nèi)部的海波還沒有到達熔點48 任俊仙.晶體熔化和凝固實驗的改進J.物理實驗,2011,31(12):15-16.。當(dāng)試

5、管內(nèi)部的海波開場熔化時，試管周圍的海波或許已經(jīng)完全熔化了，已成為液態(tài)的海波，此時，這些液態(tài)的海波再吸熱的話將會溫度上升；2晶體的熔化實驗需要保證海波的溫度緩慢升高，而酒精燈加熱會使海波的溫度急劇變化，溫度無法控制，因此使實驗失?。?海波的純度不高49 宋凌蕊.關(guān)于晶體熔化實驗的改進方法J.物理通報,2009(10):59-60.；4試管口沒有封閉，導(dǎo)致熱量向外損耗；5溫度計的插入位置不對，或許插入位置靠近試管內(nèi)壁，而內(nèi)壁的溫度很高，晶體熔化所需要的時間很短，因此導(dǎo)致實驗失敗。1和2是傳統(tǒng)實驗實驗失敗的主要原因。 雖然晶體熔化的傳統(tǒng)物理實驗很難成功，但并不能抹去晶體熔化的傳統(tǒng)物理實驗的優(yōu)點。1.

6、2 晶體熔化的DIS實驗多年以來，雖然廣闊中學(xué)物理老師對傳統(tǒng)晶體熔化實驗做了大量的改進，且獲得了一定的成效，但指標(biāo)不治本，所得的晶體熔化圖像仍與理想圖像有一定的差距。DIS實驗采用先進的科學(xué)技術(shù)，可以得出理想的晶體熔化圖像。 實驗器材：計算機溫度傳感器數(shù)據(jù)采集器海波試管鐵架臺加熱器。實驗?zāi)康模豪斫饩w海波在熔化過程中的溫度變化規(guī)律實驗原理：晶體海波熔化過程中由固態(tài)變化液體，繼續(xù)吸熱但溫度保持不變實驗步驟:1 首先，連接好實驗裝置，如圖14所示，固定好鐵架臺，安好加熱器，然后，把弄碎的海波放入試管中并固定，再將溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接并將溫度傳感器插入試管中，最后將數(shù)據(jù)采集器與計算機相連。2翻

7、開計算機中的數(shù)字化實驗室軟件，點擊“通用軟件翻開窗口后，對“傳感器圖15、“圖像圖16進展設(shè)置；在圖線設(shè)置中添加圖像，選擇“X軸為時間t，起始時間為0；“y軸為溫度T，起始溫度為20。3點擊“開場采集按鈕后，對晶體進展加熱；2 觀察計算機上的晶體熔化圖像17，讓學(xué)生討論并分析實驗圖像的規(guī)律，歸納出海波晶體在熔化前，熔化中和熔化后三個時間段的溫度變化特點，使學(xué)生認(rèn)識到晶體熔化過程中的溫度特點-繼續(xù)吸熱，但溫度不變。3 讓學(xué)生討論并解釋為什么海波晶體在熔化過程中，繼續(xù)吸熱，但溫度不變。最后，老師進展解釋：因為海波晶體在熔化過程中，是由固態(tài)的海波漸漸變?yōu)橐簯B(tài)的海波，從而海波分子的運動加劇，分子之間的

8、間距變大，要增大分子之間的間距必然要抑制分子之間的引力，這就需要能量，而此時吸收的能量就用來抑制分子之間的引力了，因此晶體在熔化過程中繼續(xù)吸熱但溫度不變。 實驗總結(jié)：通過圖像5，我們可以看到晶體在加熱器加熱過程中溫度先上升，但上升到后，隨著時間的推移但溫度保持不變，經(jīng)過一段時間后，溫度繼續(xù)上高；但加熱器停頓加熱后，溫度下降，下降到后，溫度仍然保持不變，經(jīng)過一段時間后，溫度繼續(xù)下降?？傊?，圖像5的圖像和晶體熔化的理想圖像相近，驗證了晶體熔化的規(guī)律，因此，晶體熔化的DIS實驗是比較理想的。1.3 晶體熔化的DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的比照晶體熔化的DIS實驗優(yōu)于傳統(tǒng)實驗的方面：1熔化圖像理想 DIS實驗

9、可以控制溫度的緩慢變化，得到的晶體熔化圖像接近理想，使得學(xué)生可以通過圖像容易地總結(jié)晶體熔化規(guī)律，驗證了課本上晶體熔化的結(jié)論，使得實驗結(jié)論更加真實可靠，加深學(xué)生對晶體熔化現(xiàn)象的記憶；而晶體熔化的傳統(tǒng)實驗由于受晶體導(dǎo)熱性不高受熱不均勻以及難以緩慢加熱溫度等因素的影響，學(xué)生繪制出的晶體熔化時的圖像會與實驗結(jié)論相差甚遠，如同非晶體熔化時的圖像一樣，熔化圖像不理想，會導(dǎo)致學(xué)生疑心課本上的實驗結(jié)論，使學(xué)生一直處于疑心當(dāng)中。2時間效率高晶體熔化的DIS實驗無需學(xué)生記錄數(shù)據(jù)以及繪制熔化圖像，這些都由計算機完成，進步了時間的效率，留下充足的時間讓學(xué)生分析及討論實驗結(jié)論；而晶體熔化的傳統(tǒng)實驗所需加熱時間大約15分鐘，再加上記錄數(shù)據(jù)的時間,繪制圖像的時間，分析圖像規(guī)律的時間，討論和解釋圖像規(guī)律原因的時間，一節(jié)課的時間根本缺乏已完成晶體熔化實驗。3可以用做演示實驗用做演示實驗的話，DIS實驗可以將實驗數(shù)據(jù)和圖像展示在計算機屏幕上，學(xué)生們可以清楚地實驗現(xiàn)象，例如觀察溫度計的示數(shù)的話，DIS實驗將會呈現(xiàn)溫度計的示數(shù)在計算機屏幕上。然而晶體熔化的傳統(tǒng)實驗假如用做演示實驗的話，物理老師在講臺上演示時，底下的學(xué)生無法都能觀察到溫度計示數(shù)的變化。晶體熔化的DIS實驗劣于傳統(tǒng)實驗的方面：1不利于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)處理以及繪制圖像才能。比照總結(jié)：將晶體熔化的傳統(tǒng)實驗和晶體熔化的DIS實驗進展比較的話，會發(fā)現(xiàn)：晶體