資源簡介

八年級物理大單元設計
第三單元 物態變化
單元概述
【單元內容】
本單元主要介紹了溫度、物質的三態，以及三種物態之間的變化過程。通過本單元的學習，可以使學生了解溫度，會正確使用常用的溫度計測量溫度，知道熔化和凝固。汽化液化、升華和凝華等自然現象中蘊含的物理知識。物態變化的現象與學生的生活聯系緊合，趣味性強，沒有太多定量的計算。另外，本單元涉及的科學探究活動較復雜，因此首次安排了完整的科學探究活動--“探究固體熔化時溫度的變化規律”，以幫助學生財科學探究建立完整的認識，培養科學探究能力。
溫度是物理學的一個基本概念。作為熱學的基本測量工具，溫度計在本單元的各個實驗中是不可或缺的。為了幫助學生知道溫度的知識和學會使用溫度計，教材首先引導學生認識到僅僅通過感覺是不可靠的，從而認識到使用測量工具(溫度計)的必要性。隨后通過自制溫度計，幫助學生理解溫度計的原理，并在此基礎上，引人了攝氏溫度的概念。最后，在簡單介紹溫度計的量程和分度值的基礎上，通過實驗“用溫度計測量水的溫度”讓學生掌握溫度計的使用方法。這樣的處理思路，通過展現物理知識之間的邏輯性，可以較好地幫助學生理解概念、掌握技能。
在認識溫度的基礎上，教材介紹了固態、液態和氣態這三種常見的物質狀態，并指出隨著溫度的變化，物質會在各種狀態之間發生變化。熔化和凝固、汽化和液化是生活中很常見的物態變化過程，因此先進行了介紹。在對不同物質熔化規律的探究基礎上，學生對于熔點和凝固點就有了清晰的認識，從而建立了晶體和非晶體的概念。與熔化和愛固相似，汽化和液化的安排也經歷了實驗探究，通過實驗認識沸點，吸、放熱分析這樣的過程，所不同的是汽化除了沸騰還有蒸發。升華和凝華的介紹雖然簡單得多，但也是從實驗開始編排的。在“STS水循環”欄目中，借助水的物態變化過程，培養學生關心環境、節約用水的意識。
本單元的主要內容有溫度、溫度計及其使用、熔化和凝固、蒸發和沸騰、液化、升華和凝華.由于熱現象和實際生活聯系密切，所以中考命題思路和類型較多，常見題型有填空題、選擇題、實驗探究題和簡答題等.由于中考逐年注重實驗操作能力和應用知識能力方面的考查，因而溫度計的使用、物態變化的圖象和對各種物態變化現象的科學探究仍是今后中考命題的熱點.在解答題目時,特別要注意物質在發生物態變化時，需要吸收或放出熱量,但晶體在熔化和凝固時、液體在沸騰時溫度卻保持不變.另外還要注意各學科知識的聯系和應用，特別是數學知識在物理中的實際應用,要學會對各類圖象進行分析。
學情分析
1.學生對本單元內容原本就有一定的基礎,對一些物態變化現象并不陌生,且教學要求不高，主要是了解一些基本的規律，然后應用這些規律解決生產和生活中某些簡單的問題，理解起來并不困難.所以，要將培養學生的設計能力、動手實驗能力和合作探究能力作為本單元的重點。
2.對于“白氣”就是“水蒸氣”、摸起來熱的物體溫度一定高、摸起來冷的物體溫度一定低等學生憑自己的主觀想象或經驗、 最感受獲得的錯誤信息，要及時糾正,教師可鼓勵學生多搜集資料并互相交流討論，讓學生真正理解這些知識。
3.學生雖然熟悉生活中的各種物態變化現象，但區分起來，卻不知從何入手，教師可多舉例，講明分析的恩路和判斷的依據。
4.有些學生在實驗過程中觀察不夠仔細或沒有耐心，教師可適當引導,如注意物態變化前后溫度的變化,出現了什么現象等。讓學生自己去發現、歸納,從而激發學生學習的積極性。
【課標要求】
1.1.1 描述固、液和氣三種物態的基本特征。列舉自然界和生活中不同狀態的物質及其應用。
1.1.2說出生活環境中常見的溫度值。了解液體溫度計的工作原理，會用常見溫度計測量溫度。嘗試對環境溫度問題發表自己的見解。
1.1.3 經歷物態變化的實驗探究過程，知道物質的熔點、凝固點和沸點，了解物態變化過程中的吸熱和放熱現象。用物態變化的知識說明自然界和生活中的有關現象。
1.1.4 用水的三態變化說明自然界中的一些水循環現象。了解我國和當地的水資源狀況，有關心環境和節約用水的意識。
【單元學習目標】
1知道溫度及攝氏溫度的規定
2.通過觀察和實驗，了解溫度計的結構及工作原理。
3.會用溫度計測量溫度。
4.了解一些生活環境中常見的溫度值，感受物理與生活的緊密聯系。
5.通過“用溫度計測量水的溫度””的實驗，學會溫度計的使用方法，體會觀察和測量的意義。
6.能區別物質的氣態，液態和固態三種形態，知道物質的固態和液態之間是可以轉化的。
7.了解熔化和凝固，能用熔化和凝固的知識解釋生活中的現象。
8.知道熔化曲線和凝固曲線的物理含義。并知道晶體和非晶體的區別。
9.通過探究實驗，使學生學會用圖象探究物理規律的方法。
10.知道物質的液態和氣態之間是可以轉化的。了解汽化和液化，解釋生活中的有關現象。
11.能通過實驗觀察水的沸騰現象，了解沸點的概念。
12.能區別沸騰和蒸發。
13.能通過實驗，用圖象描述水沸騰時溫度的變化情況。知道沸騰圖象的物理含義，進一步體會圖象在探究物理規律中的作用。
14.通過觀察碘的升華與凝華實驗，了解物質的固態和氣態之間是可以直接轉化的。
15.知道升華和凝華，了解升華要吸熱，凝華要放熱。
16.能用升華和凝華的知識，解釋生活中的現象。
17.了解水循環過程中水的三態變化，培養關心環境和節約用水的意識。
【單元情境】
這里的水不肯沸騰，于是科學家決定加點冰
想要把水燒開，要用熱源對水加熱，可是熱源如果熱過頭了，水反而不會再吸收熱量了。這被稱為“萊頓弗羅斯特效應”，由于這個效應，在需要對高溫物體快速降溫時，水反而不是一種很好的傳熱介質。而最近的一項研究提供了替代方案：不要用水，而要用冰傳熱。
高溫反而不沸騰？
眾所周知，水存在固態、液態、氣態三相。在1標準大氣壓下，把固態的冰加熱到0℃，它會融化成液態的水；繼續把水加熱到100℃，它會沸騰汽化成氣態的水蒸氣。這是生活常識，也是人們對“相變”這種物理現象最直觀的認知。
然而這個常識并非在任何情況下都奏效。比如，如果將水滴到150℃的鋁板上會發生什么？人們大概會覺得，熱源的溫度已經高于水的沸點了，水滴接觸鋁板后應當迅速汽化。然而如果你做一做實驗，比如炒菜時，先把平底鍋加熱，再倒上水，你會發現水滴會懸浮在鍋底上滑來滑去，維持一段時間的液態而不是迅速蒸發成水蒸氣。這種現象人們很早就發現了，德國醫生和神學家約翰·萊頓弗羅斯特（Johann Leidenfrost）在1751年最早描述了這種現象，因此它也被命名為“萊頓弗羅斯特效應”。
水在接觸溫度高于水沸點的熱源后，反而不會沸騰，而是保持液態，這是為什么呢？原因其實很簡單，水滴和高溫熱源的接觸面上會蒸發出一個隔熱的水蒸氣層，它隔開了頂部的水和熱源繼續接觸，從而阻斷了整個水滴的沸騰過程。萊頓弗羅斯特效應帶來了一些麻煩，如果你想讓水盡快沸騰得到水蒸氣的話，這個效應阻礙了熱源向水傳熱的過程。早在蒸汽時代，許多鍋爐設計師就發現，溫度高的鍋爐產生蒸汽的效率反而更低。另外，液態水經常被用作一種導熱介質，而萊頓弗羅斯特效應的存在，使得在對一些高溫物體降溫的操作中，液態水并沒有那么高效。
而2022年1月發表在《物理評論·流體》的一篇論文中，研究人員發現了一件好玩的事情：如果想要把熱量從熱源上迅速地轉移，你不應該往熱源上加水，而應該加冰。
冰無法懸浮
一開始，來自美國弗吉尼亞理工大學的研究人員好奇的問題是，萊頓弗羅斯特效應在冰接觸高溫熱源時會不會也能發生，從而造成水蒸氣、水、冰共存在熱源上的現象。大約在五年前，本科生丹尼爾·庫蘇馬諾（Daniel Cusumano）在實驗中觀察到，即使把鋁板加熱到150℃以上，與之接觸的冰也不會像水一樣懸浮起來。庫蘇馬諾繼續提高鋁板溫度，他發現，讓冰懸浮起來的臨界溫度要高得多：大約550℃。沒有到達這個臨界溫度時，冰接觸熱源，下層會融化成融水層，但融水層在接觸熱源時會保持液態，而不會汽化出一個蒸汽隔熱層。這意味著融水層可以源源不斷地從熱源吸熱。
冰層下面發生了什么，讓接觸高溫熱源的液態水依然保持液態？不久之后，研究生穆杰塔巴伊（Mojtaba Edalatpour）重新啟動了這項研究。他和副教授喬納森·博瑞科（Jonathan Boreyko）合作建立了數值模型，以模擬冰在高溫熱源上的熱傳導過程。他們發現，問題的關鍵在冰下面融水層的溫差上：融水層接觸熱源的一面溫度固定在100℃，而接觸上層冰面的一面溫度固定在0℃。融水層從熱源吸收的絕大部分熱量都用來維持這個溫差了，只有一小部分能量可以用來產生蒸汽，導致融水層和熱源的接觸面上并不會形成隔熱蒸汽層。
以0.2倍慢放的冰接觸高溫熱源的變化過程。冰接觸熱源時，下部的融水層保持液態持續吸熱，全部融化后，出現萊頓弗羅斯特效應，水懸浮了起來。
博瑞科解釋說，冰難以產生萊頓弗羅斯特效應其實是一件好事，這種情況下傳熱效率更高?！耙坏┧跓嵩幢砻鎽腋?，傳熱過程就會受阻。所以，對于熱傳遞來說，萊頓弗羅斯特效應是很糟糕的?！?br/>高效傳熱
傳遞熱量的需求在生活中如此常見——例如，我們需要冷卻計算機服務器和汽車的引擎，因此需要找到一種物質或機制，可以將能量從熱表面移走，迅速重新分配熱量，以減少零件的熱損耗。而水又是經常用到的傳熱介質，所以避免萊頓弗羅斯特效應是很有必要的。
由于博瑞科團隊的這個發現，我們可以期待在一些實踐中用冰代替水來傳熱。比如在核電站，當發生電力故障時，用冰導熱快速冷卻或許可以成為一種應急措施。在冶金方面也有潛在的應用。為了生產合金，必須在較短時間內對成形的金屬進行淬火，使其溫度迅速降低，這樣得到的合金才能擁有更高的強度。如果在淬火過程中使用冰而不是水，由于避開了萊頓弗羅斯特效應，熱量得以迅速釋放，從而能更迅速地冷卻金屬。
博瑞科還預見了這種熱傳導方法在消防上的應用潛力。他說：“你可以想象一下，用一根特制的軟管來噴灑冰屑，而不是噴水，這樣可以更高效地撲滅明火。這不是小說劇情，我參觀過一家擁有冰管道的航空公司，他們已經有了這種技術，用噴嘴噴射出冰粒而不是水滴來滅火?！?br/>或許對于普通人來說，如果想體驗一下冰不發生萊頓弗羅斯特效應帶來的好處，下次在炒菜前需要加水時，可以換做加冰試一試。
要想了解更多神奇的物態變化，讓我們一起學習本單元知識吧！
【單元學科素養】
1.物理觀念：
十五個概念——溫度、物態變化、熔化、凝固、晶體、非晶體、熔點、凝固點、汽化、液化、蒸發、沸騰、沸點、升華、凝華。
兩個區別——晶體和非晶體的區別、蒸發和沸騰的區別。
2.物理思維：兩種方法——控制變量法、圖象法。
3.科學探究：三個實驗——探用溫度計測量水的溫度、探究固體熔化時溫度的變化規律、探究水沸騰時溫度變化的特點。
4.科學態度與責任：通過對生活中常見現象的深入探究和理解，掌握物理規律，培養學生認識科學本質，形成探索自然的內在動力。
【學習導航】
單元名稱 學習內容 學習任務 學時
物態 變化 1.溫度和溫度計 1.理解溫度的概念,了解溫度計的結構及工作原理。 2.會使用溫度計、體溫計測量溫度。 3.知道生活中常見的溫度值,嘗試對環境溫度問題發表自己的見解。 4.通過“用溫度計測量水的溫度”實驗,了解溫度計的使用方法。 1
2.物態變化 1.會描述固、液和氣三種物態的基本特征,通過具體實例了解三種物態是可以相互轉化的。 2.了解熔化和凝固，能用熔化和凝固的知識解釋生活中的現象。 3.知道液態和氣態之間是可以相互轉化的,了解汽化和液化現象。 4.能區別蒸發和沸騰,了解液化的方法。 5.了解物質在固態和氣態之間是可以直接相互轉化的。 6.知道升華和凝華的概念及特點,知道升華吸熱、凝華放熱。 7.能用升華和凝華的知識解釋生活中的現象。 2
3.探究固體熔化時溫度的變化規律 1.通過探究固體熔化時溫度的變化規律,感知物質發生狀態變化的條件。 2.知道晶體和非晶體的區別,知道晶體、非晶體熔化(凝固)時的圖象特點。 3.知道不同晶體的熔點不同，同種晶體的熔點和凝固點相同。 1
4.探究水沸騰時溫度變化的特點 1.能通過實驗觀察水的沸騰現象,了解沸點的概念。 2.能用圖象描述水沸騰時溫度的變化情況,理解沸騰的條件及圖象的意義。 1

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