資源簡介

課題二 熔化和凝固
教學目標
素養要素 課時學習目標
物理觀念 1．能描述固態、液態、氣態三種物態的宏觀特征，知道物質能在三種物態之間發生相互轉化。 2．知道晶體熔化時吸熱溫度不變，非晶體熔化時吸熱溫度會變，能夠區分晶體和非晶體。 3．知道液體凝固形成晶體的過程放熱溫度保持不變，液體凝固形成非晶體的過程放熱溫度會變。 4．能夠運用熔化和凝固等知識解釋自然界和生活中的相關現象。
科學思維 1．能夠基于實驗數據和觀察，通過邏輯推理歸納出物質熔化的內在規律。能基于嚴謹的論證質疑既有結論，提出合理見解。 2．學會運用演繹思維，基于已歸納的晶體與非晶體的熔化規律，進行邏輯推理，預測這兩類物質的凝固規律。
科學探究 1．能針對晶體物質的熔化現象，設計實驗方案并進行實驗探究。 2．能夠實時、準確地觀察固體熔化過程中的狀態變化，并記錄相應的溫度數據，提升觀察能力和實驗操作技能。 3．能夠利用收集到的數據，整理成表格或繪制溫度隨時間變化的圖像，并將其作為實驗證據，得出科學的結論，提升數據分析與處理能力。 4．能夠清晰地表達自己在實驗過程中的觀察、數據分析和結論，與同伴進行交流，進一步理解不同物質熔化規律之間的差異和聯系。
科學態度與責任 1．增強對科學探究的興趣和好奇心，積極參與實驗觀察和討論。 2．實驗過程中，能堅守誠信原則，不篡改任何實驗數據，養成嚴謹、實事求是的科學態度。
重點難點
重點：經歷熔化的實驗探究過程，知道物質的熔點和凝固點。了解晶體和非晶體物質熔化和凝固的規律。
難點：判斷物態變化的種類，運用熔點和凝固點的知識解釋自然界和生活中的有關現象。
重難點分析：經歷熔化的實驗探究過程，知道物質的熔點和凝固點，了解晶體和非晶體
物質熔化和凝固的規律之所以是重點，是因為熔化和凝固是物質狀態變化的基礎，通過實驗探究和理論學習，學生能夠深入理解物質的熔點和凝固點，掌握晶體與非晶體的特性，為后續學習奠定堅實基礎。而準確判斷物態變化并應用熔點和凝固點知識解釋實際現象，需要綜合運用理論知識和實踐經驗，對學生來說具有挑戰性，因此成為難點。
重難點教學策略：
1．觀察和實驗法教學策略：引導學生觀察生活現象與科學實驗，理解物質三態及其轉換。利用現代手段強化實驗效果，清晰展現固體熔化過程。
2．分組實驗教學策略：學生分組進行實驗，親自觀察記錄固體熔化過程中的溫度變化和物質狀態的變化，培養科學態度和實驗習慣。
3．基于數據和圖像的分析教學策略：實驗后引導學生利用數據表格和圖像分析物體熔化時的溫度變化規律，深化理解。
4．對比和歸納教學策略：通過對比不同物質的熔化過程，發現不同物質熔化過程中溫度變化規律的差異，科學推理凝固過程和凝固點。
學習活動設計
本課時學習活動流程大致如圖3.2-1所示。
一、基于情境，提出問題
設計思路：創設關于物質狀態發生變化的情境，激發學生的好奇心和求知欲，引出本課時的研究內容：物質在固態和液態間變化的規律。
師：（展示從冰柜里拿出的冰塊）天氣熱的時候，從冰柜里拿出來的冰塊，一會兒就變成了水。冰在變成水的過程中，它的狀態發生了怎樣的變化？
生：冰是固態，水是液態，所以冰由固態變成了液態。
師：在狀態變化的過程中，冰需要吸熱還是放熱？是否需要特定的條件？今天我們將聚焦于探究固態與液態相互轉化過程中溫度變化的特點，以及這種物態變化過程中是否伴隨著能量的吸收或釋放。
二、分析問題，展開探究
探究任務1：描述物質三種狀態的宏觀特征，認識物態變化、熔化和凝固的概念
設計思路：首先，讓學生回顧和描述物質的三種狀態的宏觀特征，并引出物態變化、熔化和凝固的概念。接著，以冰變成水為例，引導學生思考如何準確判斷熔化過程的開始和結束，以加深對物態變化的理解，為接下來的實驗探究作鋪墊。
師：冰變成水，再過一段時間水干了，變成看不見的氣態水蒸氣，跑得無影無蹤。固態、液態和氣態是物質常見的三種狀態。從宏觀視角來看，這三種狀態各有什么特點呢？如是否有固定形狀和體積？是否具有流動性？
生1：固態有固定形狀和體積，不易流動。
生2：液態則無固定形狀，但有一定的體積，具有流動性。
生3：氣態無固定形狀和體積，能充滿容器，同樣具有流動性。
師：物質各種狀態間的變化叫作物態變化。其中，物質從固態變成液態的過程叫作熔化，從液態變成固態的過程叫作凝固。那么，冰變成水屬于哪種物態變化？
生：冰變成水屬于熔化。
師：如何才能準確判斷冰熔化的開始與結束？
生：可以通過觀察來確定。當觀察到固態冰表面開始有液態水出現時，便是熔化的開始。當觀察到固態冰完全變成液態水時，就意味著熔化的結束。
探究任務2：探究晶體和非晶體熔化時溫度的變化規律，認識晶體、非晶體的特點和熔點的概念
設計思路：首先探究晶體熔化的規律，引導學生根據實驗目的設計實驗方案并討論完善。學生分組操作，觀察物質的狀態變化，記錄溫度數據，繪制物質的熔化溫度圖像。通過分析數據和圖像，學生發現晶體物質熔化時溫度不變的規律，體會圖像分析法在物理研究中的重要性。隨后，教師提出問題：是否所有物質在熔化時都遵循這一規律？引導學生選取非晶體物質作為研究對象，探究其熔化過程中的溫度變化。最后，通過對比不同物質熔化時的溫度變化規律，引導學生理解晶體、非晶體的特點和熔點的概念。
1．探究冰熔化時溫度的變化規律
師：生活經驗告訴我們，水加熱溫度會升高，那么冰加熱熔化時，溫度會如何變化呢？接下來，我們探究冰熔化時溫度的變化規律。請大家設計實驗方案，并考慮所需器材，確保方案的科學性和完整性。
（1）交流討論實驗方案和實驗器材
師：請各小組代表依次分享實驗方案。
生1：我們組的實驗方案是使用酒精燈對冰塊進行加熱，并利用溫度計測量冰的溫度，同時觀察冰的狀態變化，并記錄溫度計的讀數。
師：其他小組有補充或建議嗎？
生2：現在室溫是28℃，冰在室溫下就可以熔化。
待學生明確實驗目的和實驗方案后，指導學生設計記錄表格，強調記錄數據與觀察的重要性。學生嘗試設計后，教師展示并引導學生相互點評，提出改進建議。
師：這是你（生3）設計的實驗記錄表格（見下表），在完成實驗后，你會如何分析冰熔化過程中溫度的變化規律呢？
實驗數據記錄表1
時間／min
溫度／℃
生3：看溫度欄目中溫度的變化情況。
生4：實驗目的是“觀察冰變成水的過程中，物質溫度隨時間的變化”，通過查看表1中的數據你是怎么知道哪段時間是冰的熔化過程？
生5：我覺得應該增加記錄“物質狀態”欄目，以明確冰熔化的時段。
教師展示修正后的數據表格（見下表），并指導學生使用正確的描述方式記錄冰的物態變化，如物質熔化時的狀態為“固液共存”。
實驗數據記錄表2
時間／min
溫度／℃
物質狀態
（2）學生分組實驗，探究冰熔化過程中溫度的變化規律
學生活動：領取如圖3.2-2所示的實驗器材，進行分組實驗。
教師活動：巡視學生的實驗操作，確保他們能正確進行實驗，同時也會注意收集各小組的實驗數據，以便后續分析。實驗結束后，教師邀請部分小組代表上臺展示、分析實驗數據表格，總結冰在熔化時溫度的變化規律。
試管內裝有冰，溫度計的玻
生：這是我們組的實驗數據（見下表），通過觀察發現冰在熔化過程中溫度保持不變。璃泡被冰包裹
圖3.2-2
實驗數據記錄表3
時間 0 1 min 1 min 43 s 2 min 30 s 3 min 4 min 4 min 40 s 5 min 40 s
溫度／℃ -5 -2 0 0 0 0 0 1
物質狀態 固 固 固液共存 固液共存 固液共存 固液共存 液 液
師：你是怎么從表里看出這段溫度不變的時間是熔化過程的呢？
生：我們觀察到在1min43s時試管內的冰中有液態的水出現；在4min40s時，冰完全消失，試管內全是水。
教師詢問其他小組是否也有相同的實驗結論，學生確認得到相同的結論。教師進一步提問：冰在熔化過程中是否需要吸熱？幫助學生從周圍空氣溫度高于冰推理得到冰會吸收熱量。隨后，教師指出除了通過表格，還可以采用圖像分析的方法總結冰熔化時的溫度變化規律。指導學生用縱坐標表述溫度，橫坐標表示時間，將數據表格中各個時刻的溫度在方格紙上描點，然后將這些點用平滑曲線連接起來，從而得到冰變成水過程中溫度隨時間變化的圖像。
學生獨立繪制圖像。
師：這是一位同學繪制的冰變成水過程中溫度隨時間變化的圖像（圖3.2-3）。通過圖像，你能判斷哪段時間是冰的熔化過程嗎？
圖3.2-3 圖3.2-4
生：不行。應該在圖中標示出冰開始熔化和結束熔化的時刻（圖3.2-4）。
師：很好。對比數據表格，圖像能夠直觀體現出一個物理量（如溫度）隨另一個物理量（如時間）變化的情況。請沒做標示的同學在自己的圖像上補上。
2．探究石蠟熔化時溫度的變化規律，認識晶體、非晶體的特點和熔點的概念
師：我們了解到冰在熔化時會吸熱，但溫度不變。這個規律是否具有普遍性？是否所有物質在熔化時都遵循這一規律？為了解答這個問題，我們接下來應該怎么操作？
生：我們可以嘗試用其他物質做實驗，看看它們熔化時的溫度是否不變，若其他物質熔化時溫度也保持不變，則說明這些物質與冰遵循相同的熔化規律。
教師指導學生研究石蠟的熔化規律。實驗過程中，教師巡視學生實驗操作，給予必要的指導。學生分組實驗，觀察、記錄石蠟的狀態變化與溫度。最后，師生共同分析數據，探討石蠟熔化規律是否與冰的相同。
生1：我們發現石蠟熔化時溫度持續上升，與冰的規律不同。
師：其他小組也得到這個結論嗎？
生2：是的，我們小組得到的結論也是這樣的。
師：很好，同學們觀察很仔細。石蠟和冰在熔化時溫度的變化規律不同。通過這兩個實驗，你們有什么發現？
生：僅憑一兩次實驗就得出科學規律是不嚴謹的。石蠟實驗證明了冰的熔化規律不適用于所有物質。
師：科學家經過大量的研究發現，固態物質分兩類，一類熔化時溫度保持不變的物質，叫作晶體；另一類熔化時沒有固定熔化溫度的物質，叫作非晶體。晶體熔化時的溫度叫作熔點。
說明：雖然晶體和非晶體的熔化實驗不是《課標（2022年版）》規定的學生必做實驗，教材也已將其調整為演示實驗，但教學中采用分組實驗，能使學生清晰地觀察到物質完整的熔化過程。利用冰鹽水制冰的具體操作如下：如圖3.2-5所示，教師在課前先往直徑約1.5cm的小試管內注入適量的純凈水（約5mL），再用橡膠塞將溫度計固定在小試管內的適當位置，確保溫度計的玻璃泡完全浸沒在水中。最后，將裝有水的試管置于溫度低于-10℃冰鹽水中（關于冰鹽水的制作可參考第一課時中的相關說明），試管內的水會在1～4分鐘內凝固成冰并保持低溫。待實驗開始時，從低溫的冰鹽水中拿出試管發給學生，保證學生實驗開始時試管內所有物質均為固態。
晶體熔化分組實驗的材料，除了冰，還可以考慮選用低熔點的鎵合金或硫代硫酸鈉（俗稱海波）。關于鎵合金，網上有多種熔點可選。教師可以根據需求進行選擇，圖3.2-6中實驗所用的鎵合金熔點為30℃。經過實驗發現，若鎵合金質量控制在3g以內，可在13min 內獲得其完整的熔化過程溫度變化曲線（圖3.2-7）。
圖3.2-5
熔點為30℃的鎵合金 鎵合金熔化實驗裝置 鎵合金熔化實驗中溫度的變化曲線
圖3.2-6 圖3.2-7
關于海波，若采用傳統的水浴法（圖3.2-8）進行加熱，只需增加一支溫度計測量燒杯中水的溫度進行輔助觀測，適時撤離酒精燈，以便控制試管內外的溫差維持在約7℃。通過這種操作，也可以得到較理想的實驗數據。在條件允許的情況下，也可以采用能實現溫度的自動控制和采集的實驗裝置（圖3.2-9）進行海波熔化實驗，實現自動控制加熱溫度和記錄溫度敫據。該裝置包括試管、玻璃棒、溫度采集器、攪拌器、燒杯、電熱絲以及單片機控制系統。其中，試管用于盛裝海波，玻璃棒上固定有溫度采集器探頭，能夠實時采集海波的溫度數據并將其傳輸至電腦，從而直接獲取海波熔化過程中的溫度變化曲線。此外，使用攪拌器，以確保海波受熱均勻。試管外部則配置燒杯、電熱絲及溫度采集器，整個系統由單片機進行控制，并通過鐵架臺進行穩固。該新型實驗裝置具有以下優勢：（1）攪拌器在海波開始熔化的階段啟動，通過不斷攪拌海波，使海波受熱均勻。（2）單片機控制系統能夠精確調控電熱絲的工作狀態，確保水溫與海波之間的溫差始終維持在7℃的范圍內（圖3.2-10）。這一設計旨在實現海波的緩慢升溫，從而避免海波內外溫差過大對實驗結果的影響。（3）試管內的溫度傳感器能夠實時捕捉海波熔化過程中的溫度變化，并將數據傳輸至電腦端，從而繪制出海波熔化時的溫度變化曲線（圖3.2-11），為實驗分析提供有力支持。
另外，部分教師為節省時間，把學生進行分組，部分組做晶體熔化實驗，部分組做非晶體熔化實驗。由于晶體與非晶體在熔化時溫度變化規律不同，僅通過共享實驗結果無法讓學生充分體驗和理解，建議每位學生都親自參與晶體與非晶體的實驗。考慮到冰、海波、鎵合金同為晶體，熔化規律相似，可安排部分學生研究冰，部分學生研究海波或鎵合金，并共享結果。這樣既避免簡單的重復，又能全面理解熔化現象，深化認識。
探究任務3：了解晶體和非晶體物質的凝固規律
設計思路：先引導學生回顧石蠟和冰的熔化過程；再通過提問的形式，引導學生類推得到：液體凝固形成晶體放熱溫度保持不變，液體凝固形成非晶體放熱溫度會變的規律；最后通過分析水和石蠟凝固時的溫度圖像去檢驗其推理的正誤，了解凝固點的概念。
在探討晶體和非晶體熔化后，引導學生探索物質的凝固規律。
師：水凝固成冰和液態石蠟凝固時，溫度如何變化？判斷依據是什么？
生1：水凝固成冰時溫度不變，因熔化和凝固相反。
生2：同理，石蠟凝固時溫度會下降，因熔化時溫度上升。
師：那么，液體凝固時需要放熱還是吸熱？判斷依據是什么？
生：我認為液體凝固需要放熱，因為固體熔化需要吸熱。
師：科學家發現，液體凝固形成晶體時需要放熱，溫度不變；液體凝固形成非晶體時需要放熱，溫度下降。現有兩種物質凝固時的溫度-時間圖分別如圖3.2-12中甲、乙所示。請判斷甲乙哪個對應的物質固態時是晶體，哪個對應的物質固態時是非晶體？判斷依據是什么？
甲 乙
圖3.2-12
生：圖甲對應的物質固態時是晶體。因為該物質凝固時溫度不變。圖乙對應的物質固態時是非晶體，因為該物質凝固時溫度一直在下降。
師：當液體凝固形成晶體時有固定的凝固溫度，叫作凝固點；當液體凝固形成非晶體時沒有固定的凝固溫度。同一種物質的凝固點和熔點相同。
三、意義建構，準確理解
任務：準確理解物質的凝固規律，以及熔點和凝固點的概念
設計思路；通過問題引導學生分析某物質溫度隨時間變化的圖像，幫助學生準確理解晶體和非晶體的凝固規律，以及熔點和凝固點的概念，同時鍛煉他們從非連續性文本中提取、分析和應用信息的能力，提升他們運用物理知識和規律解決問題的能力。
師：經過前面的學習，某同學知道海波是晶體，液態海波凝固成固態海波的過程中溫度是不變的，現在他想做實驗驗證海波的凝固點是不是48℃。實驗中，他發現無法通過觀察確定液態海波何時全部變成固態海波，但通過溫度傳感器測得液態海波變成固態海波的過程中溫度隨時間的變化圖線如圖3.2-13所示。你們能根據前面所學的知識幫他判斷何時所有的液態海波都能變成固態海波嗎？
圖3.2-13
生：能。由圖像可知，海波在第6～10min中溫度是不變的，這就是液態海波的凝固過程，所以液態海波的凝固結束時刻在第10min。
師：此過程溫度不變，液態海波是放熱還是吸熱？
生：放熱，因為凝固需要放熱。
師：該同學測得液態海波的凝固點是多少？
生：約48℃。
師：若將25℃的固態海波置于40℃的恒溫環境下，海波能熔化嗎？判斷依據是什么？
生：不能。因為40℃低于海波的熔點，海波無法熔化。
師：通過這個環節，大家不僅加深了對熔點、凝固點等物理概念的理解，還提升了用圖像分析和解決問題的能力。
四、小結鞏固，拓展應用
任務1：應用熔化、凝固和熔點的概念解釋生活中的有關現象
設計思路：通過師生對話，引導學生結合課本知識分析實際生活中的現象，進一步鞏固和應用所學的物態變化知識。培養學生的問題解決和知識應用能力，加深他們對物理知識與生活實踐之間聯系的理解。
師：同學們，某地局部氣溫曾經達到-58℃。請查閱課本小資料中標準大氣壓下一些晶體的熔點信息，判斷在此極端環境下，是否還能使用水銀溫度計來測量氣溫？并說出你的判斷依據。
生：我認為不能。因為液體溫度計的工作原理是液體的熱脹冷縮。查看資料可知，固態水銀的熔點為-39℃，在-58℃的溫度下，水銀將處于固態，無法滿足液體溫度計正常工作的液態要求。
師：分析很到位。通過這個環節，我們成功地應用所學知識解決了實際問題。
任務2：小結本課時內容
師：同學們，可以分享一下你們今天學到了什么嗎？
生1：學習了物態變化，以及熔化、凝固、熔點、凝固點等概念。
生2：經歷了完整的科學探究過程，知道晶體熔化時吸熱溫度不變，非晶體熔化時吸熱溫度會變，懂得了如何區分晶體和非晶體。
生3：學會了利用表格或圖像進行實驗數據處理和分析。

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