人教版选修3-3 9.1 固体：DIS实验与传统实验的比较以晶体熔化实验为例-最新教育文档

DIS实验与传统实验的比较:以晶体熔化实验为例
1 晶体熔化实验
晶体熔化实验是物理书上的一个重要的实验，但是，这个实验很难完成，一直困扰广大中学物理教师很多年。

这个实验需要学生通过自己亲自实验来证明：海波（晶体）在熔化过程中,吸收热量但温度不变；石蜡（非晶体）在融化过程中，吸收热量同时温度上升。

1.1 晶体熔化的传统实验
需要的仪器：海波石蜡、烧杯、温度计、酒精灯、铁架台、细线、石棉网，搅拌器
实验目的：了解晶体（海波）在熔化过程中的温度变化规律
实验原理：晶体（海波）熔化过程中由固态变化液体，继续吸热但温度保持不变
实验步骤:（1）首先，按图1装置进行实验组装，固定好铁架台，放好酒精灯，铺好石棉网，弄碎海波，然后，把海波和温度计一同放入试管中并固定好温度计。

最后，用酒精灯内焰慢慢地加热，防止海波温度升高得过快。

(2) 用酒精灯缓缓加热，等温度达到43.0°C的时候，每隔1分钟记录一次数据，将实验数据记录在表2中。

我们发现：温度计的示数一直上升，当温度达到47. 3℃时，海波晶体开始出现熔化，继续加热，温度计示数仅仅维持一分钟左右不变，之后，温度计示数继
续上升，当时，此时的海波晶体仍然有固体存在。

等到海波晶体全部熔化完，继续加热，温度计示数上升。

表1
(3) 进行描点作图，在坐标纸上画出海波熔化时温度随时间变化的图象，如图13所示。

(4 ) 物理教师和学生一起分析实验图像，归纳出海波晶体在熔化前，熔化中和熔化后三个时间段的温度变化特点，使学生认识到晶体熔化过程中的温度特点-——继续吸热，但温度不变。

（5）教师进行解释——为什么海波晶体在熔化过程中，继续吸热，但温度不变。

因为海波晶体在熔化过程中，分子运动加剧，分子之间间距变大，要增大分子之间的间距必然要克服分子之间的引力，这就需要能量，而此时吸收的能量就用来克服分子之间的引力了，因此晶体在熔化过程中继续吸热但温度不变。

实验总结：通过传统实验中的图像3，我们可以发现晶体熔化时温度不变的时间段非常短，仅仅维持了1分钟左右而已，并不能明显地反映出：晶体在熔化过程中，吸收热量但温度不变这一事实。

晶体熔化的图3几乎就像非晶体熔化的图像一样。

学生因此得出的实验结
论是：海波在熔化过程中，继续吸热，温度不断上升，与课本中所描述的规律——晶体熔化过程中，继续吸热，但温度保持不变——不同。

学生因此很困惑，为什么实验结论与课本上的不一样呢？因此，晶体熔化的传统实验很难成功，我们来分析一下传统物理实验很难成功的原因：
（1）海波不宜导热，会导致不同位置处海波的温度不同，也就是试管周围的温度高于试管内部,最终试管周围的海波会先熔化，而试管内部的海波还没有达到熔点[48]。

当试管内部的海波开始熔化时，试管周围的海波或许已经完全熔化了，已成为液态的海波，此时，这些液态的海波再吸热的话将会温度上升；
（2）晶体的熔化实验需要保证海波的温度缓慢升高，而酒精灯加热会使海波的温度急剧变化，温度无法控制，因此使实验失败；
（3）海波的纯度不高[49]；
（4）试管口没有封闭，导致热量向外损耗；
（5）温度计的插入位置不对，或许插入位置靠近试管内壁，而内壁的温度很高，晶体熔化所需要的时间很短，因此导致实验失败。

（1）和（2）是传统实验实验失败的主要原因。

虽然晶体熔化的传统物理实验很难成功，但并不能抹去晶体熔化的传统物理实验的优点。

1.2 晶体熔化的DIS实验
多年以来，虽然广大中学物理教师对传统晶体熔化实验做了大量的改进，且取得了一定的成效，但指标不治本，所得的晶体熔化图像仍与理想图像有一定的差距。

DIS实验采用先进的科学技术，可以得出理想的晶体熔化图像。

实验器材：计算机﹑温度传感器﹑数据采集器﹑海波﹑试管﹑﹑铁架台﹑加热器。

实验目的：了解晶体（海波）在熔化过程中的温度变化规律
实验原理：晶体（海波）熔化过程中由固态变化液体，继续吸热但温度保持不变
实验步骤:（1）首先，连接好实验装置，如图14所示，固定好铁架台，安好加热器，然后，把弄碎的海波放入试管中并固定，再将温度传感器与数据采集器连接并将温度传感器插入试管中，最后将数据采集器与计算机相连。

（2）打开计算机中的数字化实验室软件，点击“通用软件”打开窗口后，对“传感器”(图15)、“图像”（图16）进行设置；在图线设置”中添加图像，选择“X轴”为时间t，起始时间为0；“y轴”为温度T，起始温度为20。

(3)点击“开始采集”按钮后，对晶体进行加热；
(2) 观察计算机上的晶体熔化图像17，让学生讨论并分析实验
图像的规律，归纳出海波晶体在熔化前，熔化中和熔化后三个时间段
的温度变化特点，使学生认识到晶体熔化过程中的温度特点-——继
续吸热，但温度不变。

（3）让学生讨论并解释——为什么海波晶体在熔化过程中，继
续吸热，但温度不变。

最后，教师进行解释：因为海波晶体在熔化过
程中，是由固态的海波慢慢变为液态的海波，从而海波分子的运动加
剧，分子之间的间距变大，要增大分子之间的间距必然要克服分子之
间的引力，这就需要能量，而此时吸收的能量就用来克服分子之间的
引力了，因此晶体在熔化过程中继续吸热但温度不变。

实验总结：通过图像5，我们可以看到晶体在加热器加热过程
t后，随着时间的推移但温度保持不变，中温度先上升，但上升到0C
经过一段时间后，温度继续上高；但加热器停止加热后，温度下降，
t后，温度仍然保持不变，经过一段时间后，温度继续下降。

下降到0C
总之，图像5的图像和晶体熔化的理想图像相近，验证了晶体熔化的
规律，因此，晶体熔化的DIS实验是比较理想的。

1.3 晶体熔化的DIS实验与传统实验的对比
晶体熔化的DIS实验优于传统实验的方面：
（1）熔化图像理想
DIS实验能够控制温度的缓慢变化，得到的晶体熔化图像接近理
想，使得学生能够通过图像容易地总结晶体熔化规律，验证了课本上
晶体熔化的结论，使得实验结论更加真实可靠，加深学生对晶体熔化现象的记忆；而晶体熔化的传统实验由于受晶体导热性不高受热不均匀以及难以缓慢加热温度等因素的影响，学生绘制出的晶体熔化时的图像会与实验结论相差甚远，如同非晶体熔化时的图像一样，熔化图像不理想，会导致学生怀疑课本上的实验结论，使学生一直处于怀疑当中。

（2）时间效率高
晶体熔化的DIS实验无需学生记录数据以及绘制熔化图像，这些都由计算机完成，提高了时间的效率，留下充足的时间让学生分析及讨论实验结论；而晶体熔化的传统实验所需加热时间大约15分钟，再加上记录数据的时间,绘制图像的时间，分析图像规律的时间，讨论和解释图像规律原因的时间，一节课的时间根本不足已完成晶体熔化实验。

（3）可以用做演示实验
用做演示实验的话，DIS实验可以将实验数据和图像展示在计算机屏幕上，学生们可以清楚地实验现象，例如观察温度计的示数的话，DIS实验将会呈现温度计的示数在计算机屏幕上。

然而晶体熔化的传统实验如果用做演示实验的话，物理教师在讲台上演示时，底下的学生无法都能观察到温度计示数的变化。

晶体熔化的DIS实验劣于传统实验的方面：
(1)不利于培养学生的数据记录﹑数据处理以及绘制图像能力。

对比总结：将晶体熔化的传统实验和晶体熔化的DIS实验进行比较的话，会发现：晶体熔化的DIS实验效果明显高于传统实验。

晶体熔化的DIS实验所得到的实验图像非常接近理想图像，而晶体熔化的传统实验所绘制出的图像温度保持不变的时间非常短，如图18所示。

建议：因此，通过以上的对比发现：晶体熔化实验适合选用DIS实验来完成，而非运用传统物理实验仪器来完成。

晶体熔化的DIS 实验优势明显强于传统实验。